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: 电 话 : 0551 - 3607574大学物理研究型实验网上教学材料 * 1目 录v 1引 言 : 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 v 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v 3. 成果小结Date 2ZnO材料简介，特点和用途v第三
2、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 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Date 3ZnO 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,C
3、L,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）Date 4目前国外通行的 p-ZnO 和 ZnO 同质 p-n结的制备方法v制备 p-ZnO存在的困难 , 缺陷的形成能，杂质的固溶特性v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v几种制备
4、ZnO p-n结的方法及特点，突变结，缓变结Date 52. 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Date 6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 0.96 eV禁带宽度 3.37 eV导带价带D1D2施主，提供电子A1受主，提供空穴Date 7ZnO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
5、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。Date 81）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。5. 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；5. 不能达到有效的溅射粒子动能；6. 2）功率过大，使锌靶很快地蒸发，造成生长锌7. 膜和破坏设备。4.掌握 溅射速率的物理意义分析：Date 9p 型和 n型 ZnO薄膜的光学和结构特性v衬底材料的选择vp 型 ZnO薄膜的生长方法磁控溅射法、热扩散法vn 型 ZnO薄膜的生长方法磁控溅射法、化学液相沉积vp 型和 n型 ZnO薄膜的光学、电 v 学和结构特性v高温退火导致的热扩散和新化合物的产生Date 10
