ZnO材料MOCVD生长及物性研究

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1、密级：中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文研究所：2013年os月BySangLingADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngineeringInstituteofSemiconductors，ChineseAcademyofSciencesMay，2013关于学位论

2、文使用权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经著作权人授权，不得将本论文转借他人并复印、抄录、拍照、或以任何方式传播。否则，引起有碍著作权人著作权益之问题，将可能承担法律责任。关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院半导体所有关保存、使用学位论文的规定，即：中国科学院半导体所有权保留学位论文的副本，允许该论文被查阅；中国科学院半导体所可以公布该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该论文。(涉密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名：日期：关于学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学

3、位论文是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。签名：导师签名：日期：摘要ZnO因其禁带宽、激子束缚能大、热稳定性好、抗辐射能力强等优异性能，是研制新型短波长光电子器件和高温大功率微电子器件非常理想的新一代氧化物半导体材料。特别是，由于ZnO原料和结构丰富、材料和器件制备工艺简单，有望实现广泛应用推广。ZnO材料和器件研究一直是近十多年来半导体领域的研究热点之一

4、。尽管已取得一系列突破和进展，但要实现ZnO材料和器件真正实用化应用，仍需在如下三方面关键技术问题上取得新的突破：(1)ZnO材料极性和缺陷控制；(2)ZnMgO／ZnO异质结构材料制备和能带剪裁；(3)ZnO材料稳定、可控P型掺杂。考虑到：(1)非极性ZnO材料生长，既可望实现更稳定、可控P型材料，还能有效消除斯达克量子限制效应对ZnO光电性能影响；(2)ZnO纳米结构材料生长，既可有效降低缺陷、位错对材料和器件性能的影响，还利于研制出新型高性能纳米结构光电器件或微电子器件；(3)ZnMgO／ZnO异质结构材料制备生长，既可利用Z

5、nMgO改善提高P型材料性能，还可通过Mg组分的调控实现能带的剪裁而研制出新型高性能光电器件或微电子器件。本论文利用自建的ZnO专用MOCVD设备，重点开展以下三方面研究工作并取得如下研究成果：(1)非极性ZnO薄膜材料MOCVD生长及物性研究。我们采用MOCVD工艺，在R面蓝宝石衬底上实现了非极性A．ZnO单晶薄膜材料高质量生长。利用FESEM、HRXRD、Raman及PL进行材料的生长质量和发光性能测试分析，既探讨了生长温度和生长压强两项重要工艺参数对A-ZnO薄膜材料的表面形貌和结晶质量的影响，还深入研究了非极性ZnO薄膜材料

6、的面内应力和发光性能。本项研究工作可为后续利用非极性A．ZnO材料进一步提高ZnO材料的稳定、可控P型掺杂及改善ZnO基光电器件性能奠定了材料和物理基础。(2)ZnO纳米线材料MOCVD生长及物性研究。我们采用MOCVD工艺，在C面和M面蓝宝石衬底上分别制备得到了竖直排列和水平排列的ZnO纳米线材料。利用FESEM、XRD、PL及TEM进行了材料的生长质量和发光性能测试分析，探讨了生长温度这一重要工艺参数对ZnO纳米线材料的表面形貌、结晶质量及发光性能的影响。ZnO材料MOCVD生长及物性研究本项研究工作为进一步有效降低ZnO材料缺

7、陷和位错密度及研制可规模化生产的新型高性能ZnO基纳米结构光电器件或微电子器件奠定很好的材料和物理基础。(3)ZnMgO／ZnO异质结构材料MOCVD生长及材料物理研究。我们利用MOCVD工艺，在Si(100)衬底上制备得到了高质量的ZnMgO／ZnO异质结构材料。利用FESEM，XRD进行了材料的表面形貌和生长质量测试分析并深入研究了ZnMgO合金的生长工艺；利用同步辐射XPS深入研究分析了不同Mg组分的ZnMgO合金的能带结构。另外，通过理论计算，深入研究了位错散射和界面粗糙度散射对ZnMgO／ZnO异质结二维电子气(2DEG)

8、迁移率(p)的影响，既得出了不同位错密度下2DEG迁移率随电子浓度变化规律，还给出了低温下总的载流子迁移率与电子浓度的关系。本项研究工作可为后续利用ZnMgO材料改善提高P型材料性能和研制新型高性能Si衬底ZnMgO／ZnO异质结光电