文档介绍：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
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电话: 0551 - 3607574
大学物理研究型实验网上教学材料
11/15/2017
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目录
: ZnO薄膜的紫外激光研究综述
v ZnO薄膜材料简介,特点和用途
v ZnO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
v p 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ZnO p-n 结质量的影响
v研究展望
3. 成果小结
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ZnO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: 、高束缚激子能 60 meV,大于室温的热离化能 26 meV,因此
与其它几种宽禁带发光材料如ZnSe(束缚激子能22 meV), ZnS(40 meV)和GaN (25 meV)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
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ZnO 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)
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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ZnO p-n结的方法及特点,突变结,缓变结
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2. 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
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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
eV
禁带宽度 eV
导带
价带
D1D2施主,提供电子
A1受主,提供空穴
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ZnO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。
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1)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,造成生长锌
膜和破坏设备。
掌握溅射速率的物理意义分析:
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p 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
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