zno基p-n结及其紫外发光性能的研究

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1、ZnO基p-n结及其紫外发光性能的研究报告人：许小亮工作单位:中国科学技术大学物理系E-mail:xlxu@ustc.edu.cn电话:0551-3607574大学物理研究型实验网上教学材料7/19/20211目录1．引言:ZnO薄膜的紫外激光研究综述vZnO薄膜材料简介，特点和用途vZnO基p-n结研究的几个方面之比较2.本课题研究内容v理论基础：ZnO薄膜中的缺陷及其对制备p-ZnO的影响分析vp型和n型ZnO薄膜的光学和结构特性v热处理温度和方式对ZnO薄膜和ZnOp-n结质量的影响v研究展望

2、3.成果小结7/19/20212ZnO材料简介，特点和用途第三代宽禁带光电功能材料的代表之一ZnSe(1990),SiC(1992),GaN(1994),ZnO(1996)（特点：禁带宽度(eV)＝1240/激光波长(nm),反比关系）1.ZnO是宽禁带:3.37eV、高束缚激子能60meV，大于室温的热离化能26meV，因此与其它几种宽禁带发光材料如ZnSe(束缚激子能22meV),ZnS(40meV)和GaN(25meV)相比,ZnO是一种合适的用于室温或更高温度下的紫外激光材料2.生长成本较低

3、7/19/20213ZnO同质p-n结研究的几个方面之比较（i）半导体发光的几种激发方式(PL,CL,EL)(ii)p型半导体，n型半导体，p-n结（iii）同质p-n结,异质p-n结（iv）目前国内外通行的p-ZnO和ZnO同质p-n结的制备方法（下页）7/19/20214目前国外通行的p-ZnO和ZnO同质p-n结的制备方法制备p-ZnO存在的困难,缺陷的形成能，杂质的固溶特性几种制备p-ZnO的方法及特点1）化学气相沉积法(CVD)2）共掺杂法(co-doping)成品率低，光电效率差3）激

4、光脉冲沉积法(PLD)4）反应溅射法(RSM)成品率较高，光电特性一般5）热扩散法(TDM)成品率很高，光电特性差几种制备ZnOp-n结的方法及特点，突变结，缓变结7/19/202152.研究内容v理论基础：ZnO中的缺陷及其对制备p-ZnO的影响分析根据理论分析ZnO薄膜中的天然缺陷一共有6种，但只有3种的形成能较小，因而得以产生。它们是：氧空位，间隙锌，以及反位锌锌氧间隙锌反位锌锌氧7/19/20216氧空位，间隙锌，以及间隙锌的能级位置及其作用间隙锌能级31meV氧空位能61meV反位锌能级0

5、.96eV禁带宽度3.37eV导带价带D1D2施主，提供电子A1受主，提供空穴7/19/20217ZnO薄膜中的氧空位，间隙锌以及反位锌对生成p型ZnO的影响氧化锌薄膜中的氧空位和间隙锌是施主的来源，后者可通过500oC退火将其转移到锌的格位上，Xiong等人报道了一个简单的方法，即通过在直流溅射中增加氧的方法去除氧空位，当反应室中氧气比例超过55％，可得到p-ZnO，且空穴浓度与氧的百分比成正比。我们按他的方法做，不成功。原因是他模糊了两个关键参数：溅射功率和溅射速率。只有当溅射功率和溅射速率处于

6、某一范围时方可有效地去除氧空位和增加反位锌，得到p-ZnO:p型成品率约为40％。我们将上述方法移植到射频溅射中，取得了大于80％的p型成品率。因为射频溅射可高效地分解氧分子，并将离解的氧原子输送到薄膜中氧的格位上。7/19/202181）速率过慢，靶被氧化，生成髙阻ZnO;2）速率较慢，虽去除了氧空位，但也不利于生成受主反位锌；3）速率过快，达不到使薄膜富氧的效果。掌握溅射功率的物理意义分析：1）功率较小，不能有效地将氧分子离解为原子；不能达到有效的溅射粒子动能；2）功率过大，使锌靶很快地蒸发，造

7、成生长锌膜和破坏设备。掌握溅射速率的物理意义分析：7/19/20219p型和n型ZnO薄膜的光学和结构特性衬底材料的选择p型ZnO薄膜的生长方法磁控溅射法、热扩散法n型ZnO薄膜的生长方法磁控溅射法、化学液相沉积p型和n型ZnO薄膜的光学、电学和结构特性高温退火导致的热扩散和新化合物的产生7/19/202110不同衬底材料的比较在选择衬底的时候应考虑的因素：（i）衬底材料的晶体结构要匹配;（ii）晶格失配必须尽可能地小；（iii）热膨胀系数的差距亦应尽可能地小。(iv)价格因素7/19/202111

8、Si作为衬底的优越性和需要注意的问题Si是最便宜的一种衬底材料结构：立方晶体，常数a=5.43Å，晶格失配较大(ZnO:a=3.252Å)。缓冲层的作用：减少应力；减少晶格失配7/19/202112硅衬底上ZnO薄膜的制备及其结构特性1.溅射法制备p型和n型ZnO薄膜1)靶材料的选择和制备：当生长p型ZnO薄膜时，采用纯度为优于4N的纯净锌靶。当生长n型ZnO薄膜时，采用压制/烧结成型的ZnO:Al陶瓷靶，它的原料为纯度优于4N的ZnO粉末和1%重量的Al2O3粉末，