ZnO半导体载流子浓度的拉曼光谱研究

发布时间：2020-04-06 19:44

【摘要】：ZnO由于其室温禁带宽度大、激子束缚能高等优点,未来有望在半导体短波长发光领域实现应用。近年来,有关ZnO材料制备、掺杂、LED器件、LD器件、纳米结构方面的研究也有长足进展。但是,材料最终能否应用于实际,不仅仅需要对材料生长、器件制备工艺有深入理解,还需要相关半导体表征技术的发展。对于半导体材料来说,电学性能是极为关键的性能。随着材料器件结构、微观结构的复杂化,传统的电学性能测试(如霍尔效应测试)方法逐渐受到挑战。为此,研究适用性好、检测快速、无损伤的电学性能表征方法具有重要意义。拉曼光谱是解决这一问题的方法之一。基于极性半导体内部等离子体激元-LO声子耦合效应,拉曼光谱能够快速、无损地给出半导体材料的载流子浓度信息。本文基于拉曼光谱技术,研究了其在ZnO薄膜及ZnO基LED器件载流子浓度提取中的应用。主要的研究工作和成果如下:1.拉曼光谱在ZnO薄膜样品载流子浓度表征中的应用。通过对可见光、紫外光激发下ZnO样品的拉曼光谱分析,提出了利用共振拉曼散射研究ZnO薄膜载流子浓度的方法。实验结果发现,在共振拉曼条件下,模型拟合对象1LO模的行为不仅受到耦合作用的影响,还与晶体内缺陷浓度有关。为此,本文提出了利用二阶拉曼峰2LO作为模型拟合对象来消除晶体内缺陷对耦合模的影响。通过基于IIF散射机制和Lindhard-Mermin模型的拟合方法,本研究成功提取了 ZnO样品的载流子浓度。拟合结果与霍尔测试结果在高载流子浓度范围内(n1019 cm-3)体现了较好的一致性。2.基于2LO的拉曼载流子浓度提取技术在ZnO基LED器件电流扩展层电学性能探测中的应用。对p-GaN/(ZnO/ZnMgO)多量子阱/n-ZnO LED器件进行拉曼散射研究,基于前文研究内容成功提取n-ZnO电流扩展层的载流子浓度n = 1.21 × 1019cm-3。结合器件实际性能和模拟结果,与参考样品进行对比后,半定量地说明了拉曼提取所得电子浓度的可靠性,证实了拉曼光谱在多层结构载流子浓度提取的可能性。
【图文】：

６０ｍｅＶ。ＺｎＯ的晶体结构与ＧａＮ相似，主要有立方闪锌矿结构、四方岩盐结构和六方纤逡逑锌矿结构。其中，常温常压下热力学稳定性为六方纤锌矿相，这也是ＺｎＯ研究中最常见逡逑的一个晶相。图１．１是纤锌矿ＺｎＯ的晶体结构及对应晶面的表示方法。如图所示，Ｚｎ原逡逑子和０原子各自按照六方最密堆积方式排列。由于Ｚｎ、０原子的电负性存在差异，导致逡逑ＺｎＯ沿ｃ轴方向产生极性，使其在ｃ轴方向上存在自发极化和压电极化效应。极化效应会逡逑影响ＺｎＯ的晶体生长过程及器件实际性能。逡逑［０００１］逡逑（ａ）逦Ａ逡逑【１１－２０］逡逑／ｋ＼邋＊000！＞逦＜ｌｌ－２０＞逦＜ｉ0－ｉ0＞逡逑（）ｔ，，逦ｔ逦＼逦—逡逑Ｓ逦ｚ邋ｖ邋／邋Ｖ邋．邋．．邋■逦／逡逑图１．１纤锌矿相ＺｎＯ的（ａ）晶体结构（ｂ）相应晶面示意图［１１。逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｗｕｒｔｚｉｔｅ邋ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｒｕｅ邋ｏｆ邋ＺｎＯ邋ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ邋ｋｅｙ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ邋ａｎｄ邋ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ邋ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓｔｌ］．逡逑１．２．２逦ＺｎＯ邋基邋ＬＥＤ邋器件逡逑ＺｎＯ由于其特殊的光电性能，在ＬＥＤ器件应用中有广阔前景。ＬＥＤ器件的基本工作逡逑原理是，在外加偏压下，ｐ－ｉｉ结两端的载流子分别向另一侧注入并复合发光。常见的ＬＥＤ逡逑器件根据材料的选择可以分为同质结和异质结ＬＥＤ。此外，在传统ｐ－ｎ结基础上，通过引逡逑入高效的载流子复合区域，将载流子限制在有源层中复合发光，可以有效提升ＬＥＤ器件逡逑的发光性能。逡逑２逡逑

０邋０．２邋０．４邋０．４邋０．２邋０邋０．２邋０．４０邋０．２邋０．４邋０．４邋０．２邋０逦０邋０．２邋０．４邋０．２邋０逡逑｜？ａ（）｜逦｜0００｜逦｜（Ｋ）ａ｜邋｜ａ０邋０．５１逦（０．５邋０ａｊ邋｜ｌ／３邋ｌ／３ａ｜｜ａａ０．５１逡逑图２．１纤锌矿相ＺｎＯ的声子谱【６２］逡逑Ｆｉｇ邋２．１邋Ｐｈｏｎｏｎ邋ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ邋ａｌｏｎｇ邋ｈｉｇｈ邋ｓｙｍｍｅｔｒｙ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｗｕｒｔｚｉｔｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ＺｎＯ［６２）．逡逑里渊散射和拉曼散射。其中，布里渊散射过程散射光的频移约ｌｏｉｒ１或者更小，一般与低逡逑频率的声学声子相关。拉曼散射过程散射光的频移通常大于１０ｃｍ－１，一般与晶体中光学逡逑支晶格振动（光学声子）、电荷密度起伏（等离子体激元）、自旋密度起伏（磁自旋波激逡逑元）、电子跃迁以及它们之间的相互耦合有关［６３］。逡逑一般将单个声子参与散射过程的拉曼散射称为一阶（ｆｉｒｓｔ－ｏｒｄｅｒ）拉曼散射，而将两个逡逑或者多个声子参与散射过程的拉曼散射称为二阶（ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒ）或多阶拉曼散射，一般在逡逑非共振拉曼散射中，一阶拉曼散射的频率在１０００ｃｍ－１以内，而多阶散射强度比一阶弱很逡逑多，很难被观察到。逡逑２．２．２拉曼位移逡逑Ｓｃａｌｉｅｒ邋丨邋ｎｇ逦Ｒａｙｌｅｉｇｈ邋丨ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ逡逑ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ逦Ａ逡逑ｒ逦！逦＾逡逑Ｊｊ＾ｆ逦Ｓｔｏｋｅｓ逦Ａ逡逑ｊ邋ｌ邋Ｒａｍａｎ邋ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ邋１１逡逑ｉ邋＼邋Ａ逦１１逡逑＼逦／邋＼逦ｊ邋１逡逑ＶＡ／邋＼逦／邋＼逦逡逑ＬＪ逦
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O657.37;TN304

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本文编号：2616944