LMBE法生长ZnO薄膜的p型掺杂分析表征.docx

摘 摘 要 摘 要 近年来，ZnO由于其良好的激子发光特性而受到众多研究机构的关注。其具 有比CaN和ZnSe材料更高的室温激子束缚能，有望实现室温甚至更高温度下运 转的低阈值紫外发光器件。目前，阻碍ZnO LED及LD器件实现的主要障碍是 ZnO的单极性特性，即难以实现稳定而高浓度的P型掺杂。而要实现ZnO的高 浓度p型掺杂，首先需要解决的问题是降低ZnO本征材料的本底电子浓度，以 减小ZnO本征缺陷的自补偿效应。同时要实现低阈值、高亮度的ZnO发光器件， 则更需要生长出高结晶质量和发光质量的ZnO薄膜。本文首先集中精力进行了 高质量ZnO单晶薄膜的生长，获得了低本底电子浓度和缺陷密度、高发光质量 的本征ZnO薄膜；其次进行了ZnO薄膜的P型掺杂研究，最终采用离子注入法 实现了稳定而高浓度的P型ZnO薄膜，并进一步制作了p-ZnMgO／n-ZnO p-n结 原型器件。本工作取得了许多创新性的发现和成果，主要包括： 采用激光分子束外延法(I，lVmE)在c面蓝宝石衬底生长出了低本底电子浓 度、高结晶质量和发光质量的ZnO单晶薄膜。其中ZnO(0002)面∞摇摆曲线 FWHM为213”，室温N带紫外受激发光阈值为200kW／em2，ZnO薄膜的本底电 子浓度为4．72×1016cm-3，以上结果均是稳定而可重复的。 利用小角度x射线分析技术(OIXA)成功地测出了蓝宝石衬底上外延的ZnO 薄膜以及ZnO／ZnMgO异质结的x射线反射率岱砌帐荡曲线，并将其应用于退 火前后的ZnO薄膜表面与界面特性的定量分析之中。 提出并实现了ZnO超晶格缓冲层结构(SL-buffer)的L-MBE法生长，并在其 上成功实现了厚度为300nm的ZnO薄膜的2D逐层生长(1ayer-by-Iayer)，获得 了十分平整的ZnO表面。 通过对A1203(0001)衬底1-91-延ZnO薄膜的两种在面(in-plane)取向的分析结 果，提出了基于ZnO六方相结构的应变弛豫模型：即ZnO薄膜中的应变和弛豫 状态取决于不同在面取向下的外延层同衬底间的晶格、热膨胀系数失配产生的应 变以及本征点缺陷产生的应变这两种应变机制的综合作用结果。 生长并观察到了ZnO自组织量子点链(QOCs)结构的量子限域现象，并采用 飞秒时间分辨测试系统ffRPL)测试NT QDCs的双指数衰减特性，衰减常数分 别为t：=38．21ps及t2=138．19ps。 L-MBE法生长ZnO薄膜的P型掺杂及分析表征对L-MBE法生长的ZnO及ZnMgO薄膜进行了氮离子注入掺杂和原位气相 L-MBE法生长ZnO薄膜的P型掺杂及分析表征 对L-MBE法生长的ZnO及ZnMgO薄膜进行了氮离子注入掺杂和原位气相 掺杂的研究，获得了具有较高掺杂浓度的P型ZnO薄膜，达到国际先进水平。 成功制作了阈值电压为1．2V的p-ZnMgO／n-ZnO p-n结原型器件，其反向截 至特性优于已见同类报导的水平。 关键词：ZnO，激光分子束外延，量子点链，超晶格缓冲层，小角度x射线分析， 时间分辨光致发光谱，p型掺杂，p-n结 Ⅱ 摘 摘 要 Absnact ZnO has attracted much attention during recent years，due to its strong excitonic luminescence properties even at very high temperature(550K-850K)，which make it all ideal material for the fabrication of UV lighting devices operated at RT and even higher temperature，with much lower excitation threshold than that of GaN and ZnSe． Ttll now,the main obstacle for the fabrication of Zno based UeDs and U)s is its unipolarity,which means that it is very difficult to realize reliable and stable p-type ZnO filh]ls with high concentration．To solve this problem,one must firstly achieve high-quality anOoped ZnO films with low background electron concentration,to eliminate the serf-compensat