脉冲激光沉积法生长ZnMgO合金薄膜和LiN共掺p型ZnO薄膜及紫外探测器的研制

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1、浙江大学博士学位论文脉冲激光沉积法生长ZnMgO合金薄膜和Li-N共掺p型ZnO薄膜及紫外探测器的研制姓名：张银珠申请学位级别：博士专业：材料物理与化学指导教师：叶志镇20060401浙江大学博士学位论文摘要ZIl0是一种直接带隙宽禁带II．vI族化合物半导体材料，其晶体结构、晶格常数和禁带宽度都与GaN非常接近。zIl0最大的优势在于它的激子束缚能很大，约为60mev，是GaN激子束缚能的两倍多，可以在室温或更高温度下实现激子受激发光。因此，znO在短波长光电器件领域有着巨大的应用潜力。本文利用自行设计建立的脉冲激光沉积(PLD)系

2、统，进行了znl。M＆O合金薄膜和zno／znl。MgxO多层异质结构的生长、p型znl．xMgx0薄膜的初步探索以及p型zIl0薄膜的掺杂研究，并研制了一个硅基znO光电导型紫外探测器。研究硅基zno／Znl一；Mgxo多层异质结构和量子阱结构的结晶质量和发光特性，为znO光电器件的研发奠定基础。而znl一；M＆O薄膜p型转变的成功能为znO异质p—n结器件做好材料准备。本文采用一种新的共掺技术——Li—N双受主共掺，成功制各了低电阻率的p—znO薄膜。1．硅基zⅡ1．0ugxO合金薄膜及zn0／Znl．；M＆0异质结和量子阱结构利

3、用自制PLD系统在p-si(100)上生长盈l_xM＆O合金薄膜。从生长参数对薄膜的结构、形貌和光学性能的对比研究中，找到可适用于硅基zn0／znl．。M甑O异质结构生长的合金薄膜的优化工艺参数。优化条件下制得的薄膜晶体质量良好，均具有高度c轴择优取向性，其晶体结构与zIlO的一致，表面粗糙度约为1nm，与znO的晶格失配度仅为．O．35％。首次采用PLD技术在si(100)和zIlO／si(100)上生长znl-xMg。o／znO／znl一，M＆O双异质结，得到了具有完全c轴择优取向的晶粒致密的多层异质结构。其室温PL谱中均可以观察

4、到异质结中znO层位于～3-3ev的近带边发光，无明显的深能级缺陷发光，表明多层异质结构的结晶质量较高。在zno／Si(100)上还尝试生长了zno／znl。MgxO多量子阱结构，所得的是多层纳米结构。首次以Li为受主掺杂元素，实现了zIll．xM＆O薄膜的p型转变，电阻率为10．1Qcrll，载流子浓度为2．45×1018cIn一，迁移率为o．251cm2／vs。这项工作还在继续系统研究中。摘要ABsTRACT2．u．N双受主共掺p型zn0薄膜利用PLD技术在实时掺杂方面的优势，用znO：Li陶瓷靶作为U源，高压电离活化的N20作为

5、N源，对Zn0进行Li．N双受主p型掺杂，成功制备了低电阻率的p型Zn0薄膜。系统研究了生长工艺参数对p-znO：(Li，N)薄膜的结构、表面形貌、电学和光学性能的影响，得出Li．N双受主共掺杂p型znO薄膜的优化参数。在优化参数下制得的p．znO：(1j，N)薄膜电学性能优良，最低电阻率为3．99Qcm，载流子浓度高达9．12×1018cm。，Hall迁移率为o．172cInWs。p．znO：(“，N)薄膜低温PL谱中观察到位于3．374eV、3．318eV、3．215eV和3．154ev的4个发光带，分析得出它们分别来自中性受主束

6、缚激子(”x)和3个施主一受主(DAP)复合发光。计算得到3个(Ⅸ圩)发光峰的相应受主能级约为120mev、222mev和283mev。120mev和222mev分别对应于Li受主和N受主的能级，说明Lj和N已共同掺入znO中并以受主形式存在。zn0同质p嘶结(P—ZIlO：(Li，N№．znO，舢203)的^矿性能测试显示出典型的p卅结整流特性，进一步证明Li—N双受主掺杂ZIIO已经实现了p型转变。本文初步探讨了Li．N共掺的物理机理，并给出Li．N共掺的理论模型来解释其p型掺杂的机理。工j．N双受主共掺杂可以避免施主一受主共掺技

7、术中旌主对P型电导的负面影响，有望能够解决znO的p型掺杂问题。3．硅基Zno紫外探测器的研究采用PLD法在si(1111上生长了高度c轴取向的高电阻率znO薄膜，以制得的zn0薄膜制备了～一znO．Al结构的光电导型紫外探测器原型器件。探测器的截止波长为370nm，5V偏压下的紫外光响应度为0．5√Vw。关键词：znMgO合金薄膜，zno／znMgO异质结构，p型zn0，Li-N共掺技术，硅基，脉冲激光沉积，znO紫外探测器Ⅱ浙江大学博士学位论文AbstractZn0isaII—VIcompoundsemi∞nductorwitha

8、directwidebandgapof3t3eV．nscrystalstmcture，】atlicepammeterandbaIldg印arequitedosetothOseofGaN．1rhemoStsj鲥fjcall