高质量ZnO薄膜的MOCVD法可控生长及其发光器件研究

发布时间：2017-03-24 02:11

  本文关键词：高质量ZnO薄膜的MOCVD法可控生长及其发光器件研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为新型的宽带隙半导体材料，ZnO以其较大的带宽和高的激子束缚能自然成为人们研究的热点材料。然而，目前ZnO材料的制备还满足不了器件的要求，尤其是p型掺杂问题还没有得到很好的解决，而且所制备的ZnO基发光器件都存在发光效率低、稳定性和可靠性较差等问题。本论文基于MOCVD技术，重点围绕高质量ZnO薄膜的可控制备及其关键物理特性和高性能异质结器件的结构设计两方面展开了细致的研究，目的是制备出高效率的ZnO基发光二极管和激光器件。具体研究内容如下： 采用光辅助MOCVD技术，通过优化多个生长参量（光辐照强度、生长温度和反应压强）成功制备出高质量的ZnO单晶薄膜和多维度ZnO纳米结构，并对其外延生长机理进行深入理解，为后续其在发光器件中的应用奠定基础。 基于已获得的高质量ZnO材料，成功制备出高效率的n-ZnO/p-GaN基发光器件，通过对所制备器件的特性分析来解决其发光机制不明确、器件外量子效率低和工作稳定性差等难题。 利用GaAs夹层掺杂技术开展p型ZnO材料的制备研究，并通过制备p-ZnO/n-SiC和p-ZnO/n-GaN/n-SiC两种异质结器件证实了ZnO:As薄膜的p型导电特性。所制备的器件均表现出良好的发光性能和工作稳定性。 以ZnO/Si异质结构为基础开展了双异质结构发光器件的制备，，通过在器件中引入具有圆形窗口的SiO2电流限制层，有效地降低了随机激光器件的阈值电流。我们重点研究了随机激光器的阈值特性、谐振模式和不对称双异质结构中的载流子注入和限制轮廓。 以高质量的ZnO纳米结构为基础构筑了基于ZnO/MgO核壳异质结构的金属-绝缘层-半导体（MIS）结型激光器件，成功实现了来自于ZnO的低阈值激光，对所制备激光器的低阈值特性、谐振模式和温度敏感特性进行了细致的研究。特别是利用二维ZnO纳米墙网络结构制备出一种具有中空微腔准回音壁谐振模式的新型激光器件，该器件具有超低的激射阈值（2.1mA，对应的阈值电流密度为0.27A/cm2），其激光发射行为可持续到高温430K。
【关键词】：ZnO MOCVD 光辅助 As掺杂 异质结LEDs 电致发光 受激发射
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.21;TB383.2
【目录】：

• 内容提要4-9
• 第1章 绪论9-35
• 1.1 ZnO 材料简介10-12
• 1.1.1 ZnO 材料的基本性质10
• 1.1.2 ZnO 材料的晶体结构10-11
• 1.1.3 ZnO 材料的应用11-12
• 1.2 ZnO 材料的研究进展12-18
• 1.2.1 ZnO 单晶薄膜研究12-14
• 1.2.2 ZnO 纳米结构研究14
• 1.2.3 ZnO 的 p 型掺杂研究14-18
• 1.3 ZnO 基光电器件的研究进展18-25
• 1.3.1 ZnO 基紫外 LEDs 的研究进展18-21
• 1.3.2 ZnO 基紫外 LDs 的研究进展21-25
• 1.4 本论文的选题依据与研究内容25-27
• 参考文献27-35
• 第2章 光辅助 MOCVD 法可控生长高质量 ZnO 外延膜35-87
• 2.1 引言35
• 2.2 光辅助 MOCVD 系统35-42
• 2.2.1 MOCVD 系统简介35
• 2.2.2 本论文中用于制备 ZnO 薄膜的 MOCVD 系统35-39
• 2.2.3 MOCVD 法制备 ZnO 材料的工艺简介39-42
• 2.3 光辅助 MOCVD 法可控生长 ZnO 单晶薄膜42-53
• 2.3.1 光辐照强度对 ZnO 形貌特性的影响42-45
• 2.3.2 光辐照强度对 ZnO 结晶特性的影响45-48
• 2.3.3 光辐照强度对 ZnO 光学特性的影响48-52
• 2.3.4 光辐照强度对 ZnO 电学特性的影响52-53
• 2.4 光辅助 MOCVD 法可控生长多维度 ZnO 外延层53-63
• 2.4.1 实验过程简述53-54
• 2.4.2 生长条件对 ZnO 外延层形貌特性的影响54-58
• 2.4.3 生长条件改变对外延层维度调节的机制分析58-61
• 2.4.4 GaN/c-Al2O3衬底上二维 ZnO 厚膜的结晶特性分析61-63
• 2.4.5 不同维度 ZnO 外延层的光学特性研究63
• 2.5 二维 ZnO 纳米墙网络结构的可控生长及其特性研究63-73
• 2.5.1 ZnO 纳米墙网络结构的常用制备方法64-65
• 2.5.2 ZnO 纳米墙网络结构的形貌与结晶特性65-66
• 2.5.3 ZnO 纳米墙网络结构的生长机制分析66-69
• 2.5.4 不同微孔尺寸 ZnO 纳米墙网络结构的可控制备69-73
• 2.6 一维 ZnO 纳米线阵列结构的可控生长及其特性研究73-81
• 2.6.1 实验过程简述73-74
• 2.6.2 生长条件对 ZnO 纳米线阵列的特性影响74-79
• 2.6.3 一维 ZnO 纳米线的生长机制分析79-81
• 2.7 本章小结81-83
• 参考文献83-87
• 第3章 n-ZnO/p-GaN 异质结器件的特性研究87-113
• 3.1 引言87-88
• 3.2 n-ZnO 纳米墙网络/p-GaN 异质结器件的制备及其特性研究88-99
• 3.2.1 器件的制备流程88-91
• 3.2.2 ZnO 纳米墙网络的材料特性研究91-92
• 3.2.3 n-ZnO 纳米墙网络/p-GaN 异质结的能带结构92-93
• 3.2.4 n-ZnO 纳米墙网络/p-GaN 异质结器件的电学特性研究93-97
• 3.2.5 n-ZnO 纳米墙网络/p-GaN 异质结器件的温度敏感特性97-99
• 3.3 n-ZnO 纳米线/ZnO 单晶膜/p-GaN 异质结器件的制备及其特性研究99-106
• 3.3.1 器件的制备流程99-100
• 3.3.2 ZnO 单晶薄膜、纳米线阵列的材料特性研究100-101
• 3.3.3 n-ZnO 纳米线/ZnO 单晶膜/p-GaN 异质结器件的电学特性研究101-105
• 3.3.4 n-ZnO 纳米线/ZnO 单晶膜/p-GaN 异质结器件的温度敏感特性105-106
• 3.4 本章小结106-109
• 参考文献109-113
• 第4章 As 掺杂制备 p-ZnO 薄膜及异质结发光器件113-139
• 4.1 引言113-114
• 4.2 As 掺杂 ZnO 薄膜的特性研究114-123
• 4.2.1 As 掺杂 ZnO 的受主形成机制114-115
• 4.2.2 GaAs 夹层方法制备 p-ZnO 薄膜115
• 4.2.3 生长温度对 ZnO:As 薄膜性质的影响115-120
• 4.2.4 ZnO:As 薄膜的光学特性120-123
• 4.3 p-ZnO:As 基异质结发光器件的研究123-133
• 4.3.1 p-ZnO:As/n-SiC 异质结发光器件的制备及其特性研究123-127
• 4.3.2 p-ZnO:As/n-GaN/n-SiC 异质结发光器件的制备及其特性研究127-133
• 4.4 本章小结133-135
• 参考文献135-139
• 第5章 Si 基 ZnO 发光器件的特性研究139-166
• 5.1 引言139-140
• 5.2 n-ZnO/i-MgZnO/p-Si 异质结器件的制备及其特性研究140-145
• 5.2.1 n-ZnO/i-MgZnO/p-Si 异质结器件的制备140
• 5.2.2 ZnO、MgZnO 薄膜的特性研究140-142
• 5.2.3 n-ZnO/i-MgZnO/p-Si 异质结器件的电学特性研究142-145
• 5.3 n-MgZnO/i-ZnO/SiO_2/p-Si 不对称双异质结器件的制备及其特性研究145-160
• 5.3.1 随机激光的简介及发展145-150
• 5.3.2 器件的制备流程150-152
• 5.3.3 ZnO、MgZnO 薄膜的特性研究152-153
• 5.3.4 n-MgZnO/i-ZnO/SiO_2/p-Si 异质结器件的电学特性研究153-156
• 5.3.5 n-MgZnO/i-ZnO/SiO_2/p-Si 异质结器件的激射行为分析156-160
• 5.4 本章小结160-162
• 参考文献162-166
• 第6章 基于 ZnO/MgO 核壳纳米结构的紫外激光器件制备及其特性研究166-197
• 6.1 引言166-167
• 6.2 ZnO 纳米线基 MIS 结型 LDs 的制备及其特性研究167-178
• 6.2.1 ZnO 纳米线/MgO 核壳异质结构的制备167-170
• 6.2.2 ZnO 纳米线/MgO 核壳异质结构的光学特性分析170-172
• 6.2.3 ZnO 纳米线基 MIS 结型 LDs 的制备及其电学特性172-174
• 6.2.4 ZnO 纳米线基 MIS 激光器件的激射行为分析174-178
• 6.3 ZnO 纳米墙网络基 MIS 结型 LDs 的制备及其特性研究178-186
• 6.3.1 ZnO 纳米墙网络/MgO 核壳异质结构的制备178-179
• 6.3.2 ZnO 纳米墙网络基 MIS 结型 LDs 的制备及其电学特性179-182
• 6.3.3 ZnO 纳米墙网络基 MIS 激光器件的激射行为分析182-186
• 6.4 n-ZnO/MgO/p-NiO 纳米线三层核壳结构双向驱动发光器件186-191
• 6.4.1 ZnO/MgO/NiO 三层核壳异质结构的制备186-187
• 6.4.2 n-ZnO/MgO/p-NiO 异质结器件的制备及其电学特性187-189
• 6.4.3 n-ZnO/MgO/p-NiO 异质结中载流子产生、传输和复合机制分析189-191
• 6.5 本章小结191-193
• 参考文献193-197
• 结论197-201
• 本论文的创新点201-203
• 攻读博士学位期间发表的学术论文203-209
• 致谢209-211
• 中文摘要211-214
• Abstract214-216

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 林硕;沈晓明;张保平;李福宾;李建功;孟祥海;;InGaN单结太阳电池中的浅能级杂质的理论计算和模拟[J];科学通报;2010年15期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 李香萍;ZnO薄膜的MOCVD制备及ZnO/Si发光器件研究[D];吉林大学;2009年

2 王辉;NiO材料制备及其光电器件研究[D];吉林大学;2013年

3 李伟;MOCVD法制备REBCO超导厚膜及多层膜夹层材料的结构和性能研究[D];吉林大学;2013年

  本文关键词：高质量ZnO薄膜的MOCVD法可控生长及其发光器件研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：264929