文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
ZnO/Si异质结构晶界行为及其载流子输运机制研究
姓名:刘秉策
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:易波;韩正甫
2011-04-18
摘要
摘要
对Ⅱ-Ⅵ化合物半导体氧化锌(ZnO)材料的认识和研究已有几十年时间,并
已将其应用在许多方面,但是直到 1996 年 ZnO 微晶结构薄膜在室温下的光泵
紫外受激发射现象的发现,才重新燃起 ZnO 作为半导体发光材料使用的希望。
由于 ZnO 存在着强烈的自补偿效应,直到今日高质量的 p 型 ZnO 材料也一直
难以制备,这影响了p-n 结型 ZnO 器件研制的进展,也推动了对 ZnO 基异质结
构器件的关注。
由于 ZnO 和硅(Si)存在大的晶格失配,将 ZnO 沉积在 Si 衬底上会形成多晶
结构,多晶 ZnO 薄膜中存在晶粒界和晶界势垒,而 ZnO/Si 异质结构界面处存
在着高密度的界面态。对于这样一个复杂的 ZnO/Si 异质结构中的载流子输运机
制及其多晶 ZnO 薄膜中晶界的存在对载流子输运过程的影响目前还缺乏研究。
要想进一步在 Si 衬底上制作 ZnO 基器件,这些基础性的研究是必不可少的。
本论文工作主要围绕着 Si 衬底上的 ZnO 多晶薄膜特性以及所形成的 ZnO/Si
异质结构特性展开研究。通过适当的退火温度和退火气氛处理 Si 基 ZnO 薄膜,
创新性地将光致发光谱测量(Photoluminescence, PL)与 ZnO/Si 异质结构的电学
和深能级瞬态谱(Deep Level Transient spectroscopy, DLTS)方法测量相结合,深入
研究了 ZnO 薄膜中本征缺陷、微结构与材料光电性质之间的相关问题。在上述
研究的基础上,进一步研究了 ZnO/Si 异质结构中深能级缺陷浓度的改变与晶界
行为和晶界势垒变化的关系;阐明了 ZnO/Si 异质结构中的载流子输运机制,解
释了由于界面态和 ZnO 晶粒界所导致的 ZnO/Si 异质结构载流子输运机制的改
变;确定了 ZnO/Si 异质结构中的耗尽区施主杂质;讨论了观察到的一些和理论
相违背的 ZnO/Si 异质结构的电学特性。本文的主要研究工作和取得的结果如
下:
1. Si基ZnO薄膜中的发光和复合中心研究
使用 PL 测量结合 DLTS 测量方法,利用不同气氛和退火温度条件,在
Si 基 ZnO 薄膜中识别出一个中性施主-价带(Dh0 )发光深能级中心
( EETC )和与 Zni 相关的缺陷深能级( EETC= ),探讨了
上述深能级中心的行为,研究方法和结果为国内外首次发表。论文结果对
研究 Si 基 ZnO 薄膜的复合和发光中心有参考作用。
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摘要
2. ZnO/p-Si异质结构中晶界层行为研究
Si 基 ZnO 薄膜中存在晶粒界和晶界势垒,而 ZnO/Si 界面存在着高密度
的界面态。目前,对 ZnO/p-Si 异质结构中晶界势垒和界面态对载流子输运
机制的影响还缺乏研究。本论文第五章工作中通过联合原子力显微镜
(Atomic Force Microscope, AFM)、CV和 DLTS 测量技术探讨了晶界势垒
和空间耗尽区形成的机理。通过变温 I V 测量以及对测量结果的
Arrhenius-Plot 拟合分析,合理解释了 ZnO/p-Si 异质结构的电流输运受到晶
界势垒的控制,并对 ZnO/p-Si 异质结构整流特性的改善和其晶界势垒反常
变化行为的消失给出了合理的解释。由于ZnO/p-Si 异质结构是实现 ZnO 器
件实用化的基础,研究结论对后续的研究具有一定借鉴作用。
3. ZnO/p-Si异质结构中晶界电阻特性研究
由于晶格失配导致 ZnO/p-Si 异质结构中引入大量晶界和界面态,使得
ZnO/p-Si 异质结构的晶界电阻温度系数受到晶界行为和界面态的共同影响,
这导致了ZnO/p-Si 异质结构具有变化的晶界电阻温度系数。本论文第六章工
作中利用不同退火气氛和温度,解释了ZnO/p-Si 异质结构的晶界电阻温度系
数受晶界行为和界面态控制的机制,并区分了晶界和界面态的对晶界电阻不
同作用影响。
4. ZnO/n-Si异质结构光电特性研究
相对于ZnO/p-Si 异质结构来说,对于沉积在n-Si 衬底上的同型异质结构
ZnO/n-Si 光电特性的研究几乎未见报道,而同型异质外延结构在许多方面有
着广泛的应用。本文第七章中使用热激电流法(Thermal simulate