论文摘要
氧化锌（ZnO）是一种新型的宽禁带化合物半导体材料,具有直接带隙能带结构,室温禁带宽度为3.37eV,对应于近紫外光波段。另外,ZnO还具有60 meV的高激子束缚能,其激子在室温下可以稳定存在,易于实现室温或更高温度下激子-激子碰撞的受激辐射。因此,ZnO是制备半导体紫外LEDs（Light-EmittingDiodes发光二极管）和LDs（Laser Diodes激光器）的理想材料。除了光学性能的优势,ZnO还具有无毒、热稳定性好、抗辐射性强、原材料丰富、外延薄膜容易生长、带隙宽度调节的合金体系（ZnMgO和ZnCdO）完备和体单晶易得等优点。另一方面,ZnO还具有丰富的纳米结构,包括纳米线、纳米管、纳米带、纳米环、纳米点等。当材料尺寸降低到纳米尺度时,可能出现许多与体材料不同的新颖光电性能。因此,各种ZnO纳米结构在纳米电子、纳米光电子、生物医药、气敏传感器等领域有望得到广泛的应用。要实现ZnO在光电领域的广泛应用,首先必须获得性能良好的n型和p型材料。然而,ZnO具有强烈的掺杂单极性,天然为n型,通过掺杂人们已经获得了高质量的n型ZnO。但是ZnO的p型掺杂却异常困难,在取得一定进展的同时仍存在诸多问题,并且对于何种元素为ZnO最佳受主元素的问题还不甚明了。这是目前制约ZnO材料实际应用的最大瓶颈,也是ZnO研究中面临的主要挑战。本文研究重点在于寻找合适的ZnO p型掺杂元素与掺杂技术,并深入探索p型掺杂机理。另外,本文也制备了ZnO纳米线和纳米点,并初步实现ZnO纳米材料的可控生长。主要工作包括以下内容:1.在之前制备Al-N共掺p型ZnO薄膜的基础上,研究生长温度和Al施主含量两个重要参数对薄膜p型导电性能的影响,提出一个共掺法生长p型ZnO的模型。2.采用磁控溅射法Li掺杂技术实现ZnO薄膜的p型转变,系统研究了实现p型ZnO的生长窗口和掺杂机理。研究表明,只有在富氧与合适Li含量的条件下,才能最大程度地促进LiZn受主形成,并抑制Lii和LiZn-Lii等缺陷复合体的补偿作用,从而获得良好的p型电导性能。3.采用氧等离子体辅助MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition金属有机物化学气相沉积）法生长非故意掺杂的p型ZnO薄膜。氧等离子体不仅能提高氧的化学势,降低锌空位等受主型缺陷的形成能,并且可以有效地提高ZnO薄膜中的氧含量,从而降低氧空位施主浓度。这两方面最终导致本征p型电导的形成。4.采用射频等离子体辅助MOCVD法生长p型ZnO:N薄膜,揭示了p型性能对生长温度的依赖性。研究发现,p型ZnO:N中具有双受主行为,等离子体辅助生长将引入锌空位受主,它和N受主一起对ZnO:N的p型电导起作用。作者研究了p型ZnO:N薄膜的紫外光电导行为,提出一个表面吸附与光脱附模型,合理地解释了所观察到的紫外光电导现象。采用一种非等离子体N掺杂技术实现ZnO的p型转变,并制备了ZnO同质结LEDs的原型器件。5.采用MOCVD法在硅衬底上无催化生长ZnO纳米线阵列,引入低温形核层能为纳米线提供良好的生长核心,从而导致整齐阵列的生长。通过控制反应物气体流量,可以实现ZnO纳米线的尺寸的裁剪。6.采用MOCVD法在硅和蓝宝石衬底上可控生长ZnO纳米点,纳米点尺寸为5～10nm。研究发现,通过控制生长温度可以很好地调节ZnO纳米点的生长密度。作者报导了ZnMgO纳米点的生长,通过控制Mg含量,可以自由地调节ZnMgO纳米点中自由激子（FX）发射峰位。另外,通过在纳米点中分别引入Ga施主和N受主,可以实现ZnO纳米点费米能级与电阻率的调节。最后,本文介绍了ZnO/MgO准核壳结构纳米点的生长与表征,MgO壳层有效地钝化了ZnO纳米点活泼的表面,从而显著提高了纳米点的光致发光强度。作者在ZnO/MgO纳米点中观察到量子尺寸效应:FX发射峰位随着ZnO尺寸的减小而蓝移。并且由于量子约束效应,ZnO/MgO纳米点激子束缚能增大到118meV,约为体材料的两倍。