宽禁带半导体掺杂及合金体系物性研究
发布时间：2020-07-08 18:36
【摘要】：氧化镓(Ga203)、氧化锌(ZnO)、碲化锌(ZnTe)等半导体具有禁带宽度大、击穿场强高、抗辐照性能好等优点,成为短波长光电器件、高功率电子器件和新型太阳能电池的重要优选材料。然而,宽禁带半导体普遍存在难以同时实现n型和p型的掺杂不对称性问题,同时合金体系的电子能带结构和基本物理特性仍缺乏系统的认识,严重限制了器件应用的范畴。研究Ga203合金体系的光电特性将有助拓展其对深空紫外探测和功率电子器件中的应用,而通过等电子氧掺杂ZnTeO合金则有助于开发高效中间带光伏电池,具有重要的科学意义和应用价值。本文针对Ga203和ZnTe宽禁带半导体材料领域的关键问题,通过离子注入、原位掺杂和合金等方法制备出高质量(AlxGa1-x)2O3、ZnTeO合金及Cr:Ga2O3掺杂体系,揭示了掺杂和合金对材料结构特征、能带调控和光电特性的影响规律,为后续实现高功率电子器件、真空紫外探测和高效中间带光伏电池研究提供物理依据和材料基础。具体研究结果包括:1、利用激光分子束外延技术(Laser MBE)在c面蓝宝石上外延出(-201)取向高度一致的β-(AlxGa1-x)2O3(0≤x≤0.54)薄膜,通过调控A1组分实现带隙在4.5到5.5 eV之间可调,且晶格常数和原胞体积随组分变化关系满足Vegard定律。基于第一性原理理论计算和实验相结合揭示了 β-(AlxGa1-x)203合金间接带隙的电子能带结构。研究结果显示,β-(AlxGa1-x)203合金具有典型的间接带隙特征,价带顶位于M点,其与价带Γ点能量差随着A1组分增加而增加。综合阴极荧光和XPS分析,β-(AlxGa1-X)2O3合金薄膜表面能带上翘,主要是由表面费米能级的钉扎效应所导致,从而造成表面耗尽与薄膜高阻现象。研究结果表明通过能带调控可有效将响应波长拓展至真空紫外,并为实现高功率MOSFET器件提供基础。2、在c面蓝宝石上原位掺杂制备Cr3+:Ga2O3高质量单晶薄膜,深入研究了Cr在不同物相Ga2O3中独特的发光特性。研究表明,α相Cr3+:Ga2O3单晶在室温下可观察到线宽小于1.5nm、波长为697nm的尖锐的R线零声子线,而在ε相和β相Cr3+:Ga2O3中相关精细发光谱线消失。同时Cr3+:Ga2O3中R线零声子线具有较好的偏振特性,且发光强度随激发功率呈现I ∞ P0.85的亚线性增长,证实其缺陷跃迁发光的内在机理。基于晶体场理论,综合第一性原理计算,Cr3+:Ga2O3中R线零声子线是八面体晶体场中Cr3+激活离子2E激发态至4A2基态辐射跃迁所导致,且通过时间分辨PL测试室温下电子在2E能级的的荧光寿命为2.0 ns。这种类原子发光特性表明Cr3+:Ga2O3不仅有望成为新型激光晶体,而且为量子计算和量子通信所需的室温单光子发射器件提供可能。3、将多步离子注入和脉冲激光熔融退火技术相结合,实现了具有光学活性中间带能级和有效带间光响应的ZnTeO高失配合金。研究显示,脉冲激光局域高温退火导致ZnTeO快速熔融再结晶,类似于液相外延过程,有效恢复离子注入导致的晶格损伤和防止氧的扩散,但一定程度上导致Te的偏析。综合吸收谱和光致发光谱分析表明,激光退火有助于抑制锌空位等本征缺陷的带内发光,同时O的等电子掺杂将在导带底0.45 eV处引入中间能带,并由局域态部分转变为扩展态。通过时间分辨PL研究其载流子动力学,表明中间带电子态中光生电子寿命达到约1 ns。光电流响应结果显示中间带吸收得到显著增强,说明载流子在中间能级被快速分离进而再激发至导带,从而提高ZnTe对低能光子的吸收能力和整体的光电转换效率,为高效中间带光伏电池的研制提供依据。4、针对ZnTe纳米结构缺陷密度高的问题,通过优化金催化物理气相沉积条件,制备出缺陷密度低、发光特性好的ZnTe准二维纳米带结构,并深入研究ZnTe纳米线和纳米带的生长机制。研究结果表明,ZnTe纳米线主要沿[111]方向生长,具有较高密度的堆垛位错结构,甚至形成孪晶超晶格,而纳米带上下表面为{111}面而侧壁为{110}面,且面缺陷密度较低。综合第一性原理计算结果表明,ZnTe的{110}面生长具有较低的形成能,ZnTe纳米线主要在金催化作用下由气-液-固(VLS)生长模式获得,而纳米片则是在沿[121]方向生长的纳米线的{110}面上通过气-固生长机制不断沉积ZnTe所获得。高质量准二维ZnTe纳米片可为实现新型半导体微纳光电器件的研制提供一种可能的材料体系。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304
【图文】：
0逦／ｐ邋Ｔ＾ｖｏｇｙ邋／邋■邋ＧａＮ逡逑＾邋１0，；逦．／＊逦／逦／邋？邋Ｇａ２0３逡逑0邋１０逦＂Ｖ邋ＳｉＣ逡逑＾邋１０３邋１０４逡逑Ｒｅｖｅｒｓｅ邋ｂｒｅａｋｄｏｗｎ邋ｖｏｌｔａｇｅ邋（Ｖ）逡逑ｉ、６Ｈ－ＳｉＣ、ＧａＮ与Ｇａ２０３材料的击穿场强－导通电阻曲线的而言，随着人类科学水平和社会发展的进步，原有的半导体材诸如高速铁路、电动汽车、智能电网等新的应用场景以及社，而氧化镓材料的宽禁带性质适应了当前需求，同时综合性模晶圆生产方面具有可行性。因此，迫切需要展开对氧化镓物理性质的研究。逡逑ｍａｍ逦ＭＢＷＭ逡逑
（３－Ｇａ２0３属于三斜晶系空间点阵为Ｃ２／ｍ。单个晶胞中含有２０个原子，其中Ｇａ逡逑原子邋８邋个，０邋原子邋１２邋个。（３－Ｇａ２0３邋的晶格常数为邋ａ＝邋１２．２３±邋０．０２邋Ａ，邋ｂ＝３．０４±邋０．０１逡逑Ａ，ｃ＝５．８０±邋０．０１邋Ａ和ｐ＝１０３．７±０．３°，如图１．３所示。元胞之中含有１０个原子，逡逑其中４个Ｇａ原子，６个０原子。晶胞与元胞之间存在如下换算关系：ａ＃邋＝邋（％ｆ邋＋逡逑Ｚ＾）／２，办元＝（ 0！哢＋邋￡＞＾）／２，ｙ邋＝邋ｃ，在Ｐ＿Ｇａ２0３的晶格中存在两种Ｇａ位，逡逑５逡逑
（１（１１0）／７以及０（２0１）的0３２0３层。逡逑５N傚义贤迹保扯本担穑撸牵幔
本文编号：2746897
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
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