MOCVD方法生長單晶ZnO、p型摻雜及同質ZnO-LED室溫電致發(fā)光研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種直接寬帶隙化合物半導體材料，其室溫禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，高于室溫熱能26meV，也遠高于其它半導體材料，如已經在藍紫光波段發(fā)光器件方面得到廣泛應用的GaN材料的激子束縛能只有25meV；由于ZnO中的激子能夠在室溫及以上溫度下穩(wěn)定存在，而且由激子-激子散射誘發(fā)的受激輻射的閾值要比電子-空穴等離子體復合的受激輻射閾值低得多，故ZnO是制備室溫和更高溫度下的半導體激光器(LDs)的理想材料，而

2、GaN基的半導體激光器必須借助于其多量子阱或超晶格結構。在半導體發(fā)光器件應用方面，ZnO還有其它優(yōu)勢，如具有體單晶ZnO襯底材料、晶體常數與純ZnO本身非常接近的MgZnO和ZnCdO三元合金，這些都是將來實現ZnO基發(fā)光器件的有利條件。ZnO還有豐富多樣的納米結構，如納米線、納米管、納米帶、納米環(huán)等，它們會具有量子限制效應，如電子量子傳輸和輻射復合增強效應；ZnO的納米結構在制備納米光電子器件和納米電子器件方面有很好的應用價值，另外，

3、ZnO的納米結構還可以在場發(fā)射、醫(yī)療、生物傳感等領域得到應用。 可是性能良好的p型ZnO材料的制備問題成為了近年來實現ZnO基發(fā)光器件突破的瓶頸，這也就成為了ZnO研究工作者的研究焦點和重點，成功制備ZnO同質發(fā)光二極管(LED)是回答這個問題最直接的方法。由于ZnO納米材料具有豐富的結構形態(tài)、應用前景和科學研究價值，人們廣泛開展了對ZnO納米結構的研究，其中探索制備新的ZnO納米結構、實現ZnO結構的重復與可控制備及其應用開發(fā)

4、是當前研究的熱點。 本文發(fā)明了一臺MOCVD設備和兩種能夠實現ZnOp型摻雜的MOCVD生長方法，并在獲得性能優(yōu)良的p型ZnO的基礎上，研制了ZnO基LED原型器件，繼日本之后，國際上第二個實現了ZnOpn結室溫電注入發(fā)光；本文還使用MOCVD方法生長了ZnO外延薄膜，研制出首個ZnO單晶納米管，可控生長出ZnO納米線，以及得到了新形態(tài)的ZnO納米網絡結構材料?，F簡要介紹如下： (1)設計并研制了一臺生長ZnO專用的MO

5、CVD設備，并獲得了此設備的發(fā)明專利；使用該設備實現了ZnO的p型摻雜和外延薄膜與納米結構的生長。 (2)首先利用MOCVD技術在硅襯底上可控生長了排列整齊的ZnO納米線陣列，并研究了ZnO納米線發(fā)光特性和場發(fā)射性能，說明了直徑～10nm的ZnO納米線具有很好的自由激子復合發(fā)光特性，以及擁有特殊尖端形貌的ZnO納米線具有非常好的場發(fā)射性能。 (3)首先利用無催化MOCVD技術在硅襯底上制備了準定向排列的ZnO納米管，該納

6、米管具有中間空心的單晶結構和納米尺度特征。ZnO納米管的PL圖譜中顯示了一個很強的帶邊發(fā)光峰和一個比較微弱的綠光波段發(fā)光峰。文中探討了MOCVD制備ZnO納米管的生長機理。 (4)首先采用兩步法MOCVD技術在硅襯底上成功制備了ZnO納米網絡結構材料。ZnO納米網絡是由ZnO納米墻和納米線交織在一起共同組成。本文還研究了納米網絡的生長機理。 (5)利用低壓MOCVD方法探索性生長了ZnO外延薄膜。初步掌握了低溫、低壓MO

7、CVD生長ZnO薄膜的生長工藝，獲得了較理想的生長溫度、壓強、反應物流量等生長工藝參數條件，分別研究了在Si片和藍寶石片(a面和c面)襯底上生長ZnO外延薄膜，并采用低溫生長高溫退火ZnO緩沖層在a面藍寶石襯底上生長了性能良好的ZnO單晶外延薄膜。 (6)首次利用NO和N2O混合氣體摻雜MOCVD技術制備了p型ZnO薄膜，研究揭示了其制備機理是：在生長ZnO薄膜過程中，NO中的N原子被摻入到ZnO晶格中替代O形成受主缺陷No，適

8、量的N2O氧源氣體參與生長抑制了施主缺陷的產生，提高了NO的摻N效果，增加了空穴濃度和遷移率，從而獲得了性能良好的p型ZnO薄膜。 (7)首次由NO射頻等離子體輔助氮摻雜MOCVD方法生長了p型ZnO薄膜，優(yōu)化了主要生長工藝參數，分析了它們對p型ZnO薄膜性能影響的機制，并最終獲得了電學性能優(yōu)良的p型ZnO薄膜。利用光致發(fā)光測試手段研究了氮摻雜p型ZnO薄膜的發(fā)光性能，分析了氮摻雜p型ZnO薄膜中的受主缺陷及其電離能。該方法生長

9、的氮摻雜p型ZnO薄膜在電學、光學和結晶等各個方面都具有優(yōu)良的性能，為實現ZnO同質p-n結的制備打下了良好的基礎。 (8)首次由NO等離子體輔助氮摻雜MOCVD方法在n型ZnO體單晶片上外延生長p型ZnO薄膜，成功制備了ZnO同質LED，并實現了室溫電注入發(fā)光。我們研制的ZnO同質LED的帶邊激子電注入發(fā)光較強，明顯優(yōu)于日本東北大學Tsukazaki教授采用MBE技術制備出的ZnO同質LED的帶邊發(fā)光。該ZnO同質LED具有較