低维ZnO杂质缺陷行为及p型掺杂研究

发布时间：2018-08-18 19:44

【摘要】：作为一种新型Ⅱ-Ⅵ族直接带隙化合物半导体材料,ZnO具有禁带宽度大(3.37 eV)、激子束缚能高(60 meV)等优点,非常适用于制备短波长光电器件。近年来研究者们对ZnO在p型掺杂和光电领域做了大量研究,目前已成功制备出p型ZnO薄膜并实现电致发光。但要实现ZnO光电应用,仍需解决p型稳定性和提高发光效率等问题。ZnO缺陷工程,即ZnO中杂质缺陷调控和机理研究,有助于解决p型掺杂等科学问题,对器件物理研究和ZnO在各个领域的应用都有一定的物理指导意义和推进作用。在本文中,我们将以缺陷工程为背景,对ZnO中常见缺陷态如表面态、H、Cu、Na杂质缺陷进行研究,最后采用激光脉冲沉积(PLD)技术制备出p型ZnMgO掺Na薄膜并获得Na受主能级。本论文主要研究内容包括：1.采用Al2O3包覆和H等离子体处理两种方式对ZnO纳米棒进行改性,发现Al2O3包覆仅仅抑制了缺陷峰强度,而H等离子体处理使带边发光峰增强了200倍以上。结果证明缺陷峰和表面态相关,而A1203包覆钝化了表面态,从而抑制了缺陷峰发光；H等离子体处理不仅钝化表面态,还钝化了非辐射复合中心,减少了非辐射复合的竞争机制,导致了带边发光效率大大提升。该结果对提高ZnO发光效率和理解表面态行为有指导作用。2.采用高能H等离子体处理对ZnO纳米棒进行H掺杂,发现超强紫光峰主导的低温光致发光(PL)谱。结合时间分辨PL和变激发测试,发现这个紫光峰至少存在两种发射机制。退火实验验证上述观点,同时证实紫光峰和H相关。研究了不同H处理功率对紫光峰的影响,发现当功率低于30W,紫光峰并不会出现。我们认为,H等离子体达到一定能量后才会和ZnO中本征缺陷形成缺陷复合体,导致紫光峰出现,而在400℃退火后,由于H的逸出使得缺陷复合体分解,最终使得紫光峰消失。该结果对理解ZnO中H缺陷态的行为有物理指导意义。3.参考选择性静电吸附模型,采用水热法结合后续热退火制备出p型ZnO掺Cu薄膜。霍尔测试和p-ZnO:Cu/ n-ZnO同质pn结的Ⅰ-Ⅴ整流特性,均验证了p型的可靠性。变温PL结果证实Cu+的存在,并计算出Cu_Zn受主能级为326 meV。我们认为,326 meV的受主能级使得大部分空穴不能电离,造成样品的弱p型；而Cu热扩散会诱生ZnO本征缺陷以及Cu复合体缺陷,会进一步影响样品电学性能,使得p型调控的难度大大增加。4.采用PLD法制备出p型ZnMgO:Na薄膜。通过Mg合金化缓解Na掺杂引起的较大晶格失配,极大地改善样品表面形貌。结合变温Hall测试和变温PL测试,分析Na受主缺陷态行为,并得到Na受主在ZnMgO：Na中的能级深度约为460 meV,这也是 ZnMgO:Na薄膜中受主能级的首次报道。
[Abstract]:As a new type of 鈪，

本文编号：2190490