原子层沉积方法制备非极性面ZnO基电致发光器件及其物性研究

发布时间：2017-11-02 07:12

  本文关键词：原子层沉积方法制备非极性面ZnO基电致发光器件及其物性研究

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【摘要】：ZnO的高达3.37 eV的禁带宽度、高达60 meV的激子束缚能和较高的载流子浓度使其成为一种极具发光应用潜力的半导体材料。近年来,许多文献报道了基于ZnO的紫外LED,以及利用ZnO本征缺陷能级辐射的可见光LED。由于ZnO的p型掺杂性能与稳定性低的问题一直未得到很好的解决,使得ZnO同质结器件的研究进展缓慢,目前只能另辟蹊径,将n型的ZnO与其他p型半导体材料组成异质结。ZnO稳定存在为纤锌矿结构,而此结构的c轴方向带有极化电场,会降低电子空穴复合的效率,对发光器件而言非常不利,而避免极化效应的最佳方法是制备半极性面或非极性面的器件。本论文研究了原子层沉积方法制备的半极性面、非极性面ZnO薄膜,以及基于非极性面ZnO薄膜的电致发光器件,主要研究成果如下：一、利用原子层沉积技术在GaN、Si、非晶基底上生长了ZnO薄膜,并研究了其电学性质以及截然不同的生长模式。在GaN基底上生长的ZnO薄膜的生长面会从(0002)面转变为(10-11)面,孪晶结构和立方相晶粒的出现使得薄膜中出现了两种倾斜角度的(10-11)面晶粒,而且这些晶粒的倾斜方向呈六次对称性,织构成一种有规律的多晶结构。而在非晶基底或Si基底上,可以得到[10-10]择优取向的较大晶粒互相镶嵌而成的马赛克结构ZnO薄膜。二、选用m面蓝宝石作为基底,采用原子层沉积技术在200℃低温外延生长高质量的m面ZnO薄膜,并表征了ZnO与m面蓝宝石之间的外延关系,观察到了外延薄膜的应力释放机制。在制备的m面ZnO外延薄膜的基础上,探索了基于非极性面ZnO薄膜的金属-绝缘体-半导体结构发光器件,观察了该器件的近红外随机激光辐射现象并探讨了其机理。三、采用原子层沉积技术,引入电子阻挡层AlN作为n-ZnO/p-Si异质结的插入层,制备了m面ZnO/AlN/p-Si异质结LED,测量并计算了该异质结结构的能带定位。AlN插入层有效地提高了异质结的发光效能,在10 V正偏压下,异质结LED可以发出含有红、绿、蓝光的拟似白光。本论文着重于原子层沉积技术生长的非极性面ZnO薄膜在电致发光器件方面的应用,并提出了一种在p-Si基底上制备ZnO基LED的解决方案。
【关键词】：氧化锌 原子层沉积 非极性面 异质结
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN383.1
【目录】：

• 摘要9-10
• Abstract10-12
• 引言12-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 ZnO的基本物理性质15-22
• 1.1.1 ZnO的晶体结构15-16
• 1.1.2 ZnO的晶格缺陷16-17
• 1.1.3 ZnO的电学性质17-18
• 1.1.4 ZnO的光学性质18-20
• 1.1.5 ZnO的极化效应20-22
• 1.2 异质结光电器件22-26
• 1.2.1 半导体异质结的基本特性23-24
• 1.2.2 半导体异质结与光电器件24-26
• 第二章 材料生长设备及表征手段26-44
• 2.1 原子层沉积26-36
• 2.1.1 原子层沉积技术简介26-27
• 2.1.2 原子层沉积技术的基本原理27-30
• 2.1.3 原子层沉积生长的特点30-34
• 2.1.4 原子层沉积设备的结构34-36
• 2.2 高分辨X射线衍射36-38
• 2.3 透射电子显微镜38-42
• 2.4 光致发光42-44
• 第三章 ALD沉积ZnO薄膜的生长特性44-60
• 3.1 ZnO薄膜的ALD制备工艺44-46
• 3.2 ALD方法制备的ZnO薄膜的电学性质46-47
• 3.3 ALD方法制备的ZnO薄膜的晶体结构47-58
• 3.3.1 以GaN作为基底47-54
• 3.3.2 以非晶材料和Si作为基底54-58
• 3.4 小结58-60
• 第四章 非极性m面ZnO基电泵浦随机激光器件60-70
• 4.1 引言60-61
• 4.2 非极性m面ZnO外延薄膜61-65
• 4.2.1 XRD结果分析62
• 4.2.2 TEM结果分析62-64
• 4.2.3 XPS结果分析64-65
• 4.3 m面ZnO基MIS器件的随机激光辐射65-69
• 4.3.1 MIS器件的PL结果分析66-67
• 4.3.2 MIS器件的EL结果分析67-69
• 4.4 小结69-70
• 第五章 非极性面n-ZnO/AlN/p-Si准白光LED70-82
• 5.1 引言70-71
• 5.2 非极性m面n-ZnO/AlN/p-Si异质结的制备与表征71-76
• 5.2.1 异质结XRD结果分析72
• 5.2.2 异质结的能带定位72-76
• 5.3 n-ZnO/AlN/p-Si异质结LED的性能76-80
• 5.3.1 异质结Ⅰ-Ⅴ结果分析76-77
• 5.3.2 异质结EL结果分析77-79
• 5.3.3 异质结PL结果分析79-80
• 5.4 小结80-82
• 第六章 总结与展望82-84
• 6.1 主要研究成果82-83
• 6.2 展望83-84
• 参考文献84-97
• 攻读博士学位期间发表的学术论文97-99
• 致谢99

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本文编号：1130502