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非极性ZnO基薄膜制备及Na掺杂和ZnMgO/ZnO多量子阱研究

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目录

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摘要

第一章 前言

第二章 文献综述

2.1 ZnO的结构与性能

2.1.1 ZnO的晶体结构

2.1.2 ZnO的能带结构

2.1.3 ZnO的物理与化学性质

2.1.4 ZnO的光学性能

2.1.5 ZnO的电学性能

2.2 ZnO的缺陷与掺杂

2.2.1 ZnO的本征缺陷

2.2.2 ZnO的非故意掺杂

2.2.3 ZnO的p型掺杂

2.3 ZnO的合金化

2.3.1 ZnO的能带工程

2.3.2 ZnMgO合金

2.3.3 ZnCdO合金

2.4 ZnO基量子阱与超晶格

2.4.1 半导体超晶格与量子阱简介

2.4.2 ZnO基量子阱

2.5 非极性ZnO薄膜及相关研究进展

2.5.1 制备非极性ZnO薄膜的意义

2.5.2 非极性ZnO薄膜的研究现状

2.6 本文研究思路

第三章 实验原理、生长方法和表征技术

3.1 脉冲激光沉积技术的原理与特点

3.1.1 脉冲激光沉积技术的特点

3.1.2 脉冲激光沉积技术的原理

3.2 脉冲激光沉积系统

3.3 实验方法

3.3.1 靶材的制备

3.3.2 衬底清洗

3.3.3 样品制备

3.4 性能表征

第四章 非极性ZnO薄膜的生长及性能研究

4.1 在m面蓝宝石上制备m面ZnO薄膜

4.1.1 生长温度对m面ZnO薄膜的影响

4.1.2 沉积压强对m面ZnO薄膜的影响

4.2 在r面蓝宝石上制备a面ZnO薄膜

4.2.1 a面ZnO薄膜的结构

4.2.2 a面ZnO薄膜的形貌

4.2.3 a面ZnO薄膜的电学性能

4.2.4 a面ZnO薄膜的光学性能

4.3 本章小结

第五章 Na掺杂非极性ZnO薄膜研究

5.1 Na掺杂非极性a面ZnO薄膜

5.1.1 Na含量对a面ZnO薄膜的影响

5.1.2 村底温度对Na掺杂a面ZnO薄膜的影响

5.1.3 沉积压强对Na掺杂a面ZnO薄膜的影响

5.2 Na掺杂非极性m面ZnO薄膜

5.2.1 Na掺杂m面ZnO薄膜的结构

5.2.2 Na掺杂m面ZnO薄膜的表面形貌

5.2.3 Na掺杂m面ZnO薄膜的电学和光学性能

5.3 本章小结

第六章 非极性a面ZnO基合金薄膜生长及性能研究

6.1 非极性a面ZnMgO薄膜的生长以及性能研究

6.1.1 生长温度对非极性a面ZnMgO合金薄膜的影响

6.1.2 沉积压强对非极性a面ZnMgO合金薄膜的影响

6.2 非极性a面ZnCdO薄膜生长和性能的影响

6.2.1 沉积压强对非极性a面ZnCdO合金薄膜中Cd含量的影响

6.2.2 非极性a面ZnCdO合金薄膜的晶体结构

6.2.3 非极性a面ZnCdO合金薄膜的表面形貌

6.2.4 非极性a面ZnCdO合金薄膜的化学态

6.2.5 非极性a面ZnCdO台金薄膜的光学性能

6.3 本章小结

第七章 a面ZnMgO/ZnO多量子阱研究

7.1 非极性a面ZnMgO/ZnO量子阱制备方法

7.2 非极性a面ZnMgO/ZnO多量子阱的结构

7.3 非极性a面ZnMgO/ZnO多量子阱的光学性能

7.3.1 非极性a面ZnMgO/ZnO单量子阱与多量子阱的光学性能

7.3.2 非极性a面ZnMgO/ZnO多量子阱中的量子限域效应

7.3.3 非极性a面ZnMgO/ZnO多量子阱中的激子束缚能

7.3.4 非极性a面ZnMgO/ZnO多量子阱中的激子局域化效应

7.3.5 非极性a面ZnMgO/ZnO多量子阱中的激子激活能

7.4 a面与c面ZnMgO/ZnO多量子阱比较

7.4.1 非极性a面与极性c面ZnMgO/ZnO多量子阱的结构

7.4.2 非极性a面与极性c面ZnMgO/ZnO多量子阱表面形貌

7.4.3 非极性a面与极性c面ZnMgO/ZnO多量子阱光学性能研究

7.5 非极性a面n-ZnO/MQWs/p-ZnO 同质结

7.6 本章小结

第八章 结论

8.1 全文总结

8.2 本文主要创新点

8.3 未来工作展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间发表的论文和其他科研成果

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摘要

氧化锌(ZnO)是Ⅱ-Ⅵ族宽禁带的直接带隙化合物半导体材料,禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能60 meV,是制备发光二极管和半导体激光器的一种有潜力的材料。由于ZnO通常沿着c轴方向生长,具有很强的自发极化和压电极化效应,在这个方向制备的量子阱有很强的内建电场,导致制备出的光电器件发光效率较低,发光峰红移。通过沿着垂直与c轴方向也就是非极性方向生长薄膜可以消除内建电场的影响。因此,我们开展非极性薄膜的生长、合金化和多量子阱研究,并采用IA族元素Na作为p型掺杂剂,开展了Na掺杂的非极性ZnO研究,为实现ZnO基光电器件应用探索出一条新的道路。本论文的研究工作主要包括以下内容:
  1.利用脉冲激光沉积技术在m面蓝宝石衬底上外延m面ZnO薄膜,系统的研究了生长温度、沉积压强对薄膜的影响。结果表明得到的ZnO薄膜都是沿着非极性m面方向生长的,不合有极性和半极性成分,在较高的温度和较低的压强下制备的薄膜晶体质量比较好。在r面蓝宝石上外延出a面ZnO薄膜,薄膜的摇摆曲线半高宽仅有0.47°,表面粗糙度1.7 nm,比m面ZnO薄膜有更好的晶体质量。
  2.采用PLD方法在r面蓝宝石上制备了Na掺杂的非极性a面ZnO薄膜,实现了非极性a面ZnO薄膜的p型转变。研究了Na含量、生长温度和沉积压强对电学性能的影响。得到的p型薄膜最佳的电学性能为:电阻率102Ωcm,空穴迁移率1.41 cm2/Vs,载流子浓度5.19×1016 cm-3。制备出a面取向的ZnO同质p-n结,I-V特性曲线有一定的整流效应,验证了薄膜的p型导电行为。
  3.制备出较好晶体质量的非极性ZnMgO和非极性ZnCdO薄膜,实现了非极性ZnO薄膜的带隙调节。研究了生长温度和压强对非极性ZnMgO薄膜的晶体质量和性能的影响。在550℃,1 Pa下制备的非极性ZnMgO薄膜具有最好的晶体质量,摇摆曲线半高宽为0.53°,AFM测试得到的表面粗糙度仅为1.54 nm。Hall测试得到薄膜的电阻率为1.51Ωcm,载流子迁移率7.74 cm2/Vs,载流子浓度1.88×1018 cm-3,呈n型导电。通过改变沉积压强,我们可以引入13%的Cd而不出现分相,但此时是以极性取向占主导,可以引入7.2%的Cd而薄膜仍然保持单一的a面非极性取向,实现禁带宽度从3.30到3.01 eV内变化。
  4.在r面蓝宝石上制备了一系列不同阱宽的10周期ZnMgO/ZnO多量子阱,阱宽从2.2到5.6nm范围内变化。XRD测试表明量子阱沿着a面(1120)方向生长,具有单一的非极性择优取向。截面TEM测试表明量子阱有很好的周期性以及陡峭的界面。观察到了不同阱宽量子阱在低温和室温下的量子限域效应。研究了量子阱中的激子局域化效应、激子束缚能和温度淬灭效应。在c面蓝宝石上我们采用相同的方法制备了一系列与a面多量子阱相同阱宽的c面多量子阱,发现在我们所设计的阱宽范围内,非极性多量子阱没有出现发光峰的红移,极性多量子阱在阱宽大于5nm后出现了明显的红移现象,也即量子限域斯塔克效应,同时非极性多量子阱比极性多量子阱有更高的电子-空穴限制效率,这对光电器件的应用有非常重要的意义。

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