ZnO/Si异质结构晶界行为及其载流子输运机制研究

论文摘要

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（D0h）发光深能级中心（ET=EC-0.13eV）和与Zni相关的缺陷深能级（ET=EC-0.24eV）,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。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）、C-V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Arrheni us-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 current,TSC）及椭偏折射率测量技术等,利用氧气氛围下的不同退火温度,研究了ZnO/n-Si多晶薄膜中的微结构改善对ZnO/n-Si异质结构的光电特性的影响,并对其反常的C-V特性做出了一个初步的解释。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 ZnO材料概述

1.2 非掺杂Si基ZnO薄膜中的本征缺陷和电学性质

1.3 Si基ZnO薄膜的光学性质

1.4 ZnO薄膜特性及其应用

1.4.1 透明导电薄膜

1.4.2 声表面波器件

1.4.3 发光器件

1.4.4 紫外探测器件

1.5 几种Si基ZnO薄膜制备方法简介

1.5.2 Sol-Gel法

1.5.3 磁控反应溅射法

1.5.4 激光脉冲沉积法

1.6 本论文的研究意义和内容

参考文献

第2章 Si基ZnO薄膜制备工艺以及表征方法和原理

2.1 引言

2.1.1 MOCVD方法沉积Si基ZnO薄膜的工艺参数

2.1.2 Sol-Gel方法沉积Si基ZnO薄膜的工艺参数

2.1.3 RF Reactive Sputtering方法沉积Si基ZnO薄膜的工艺参数

2.1.4 PLD方法沉积Si基ZnO薄膜的工艺参数

2.2 试样的欧姆接触原理及制备

2.3 ZnO/Si薄膜的形貌和结构表征

2.3.1 原子力显微镜基本工作原理

2.3.2 X射线衍射分析的基本工作原理

2.3.3 椭圆偏振光法基本原理

2.4 ZnO/Si异质结构的电学方法表征和参数分析方法

2.4.1 ZnO/Si异质结构的I-V方法测量和分析方法

2.4.2 ZnO/Si异质结的C-V方法测量和分析方法

参考文献

第3章 Si基ZnO薄膜中的深能级中心测试技术

3.1 引言

3.2. 深能级中心测试的理论基础

3.2.1 载流子的复合中心理论

3.2.2 结空间电荷区的瞬变分析理论

3.2.3 等温条件下的瞬态分析

3.3 DLTS方法的半导体中深能级测量

3.3.1 DLTS原理

3.3.2 N.J.M.DLTS仪器的构成和工作原理

3.3.3 热激电流法原理

参考文献

第4章 Si基ZnO薄膜中的发光和复合中心研究

4.1 引言

4.2 Si基ZnO薄膜的结构表征

4.3 ZnO/p-Si异质结构的I-V特性分析

4.4 ZnO/p-Si异质结构的DLTS特性分析

4.5 ZnO/p-Si异质结构的TSC特性分析

4.6 ZnO/p-Si异质结构的PL谱特性分析

4.7 本章结论

参考文献

第5章 ZnO/p-Si中晶界行为及其载流子输运机制研究

5.1 引言

5.2 ZnO/p-Si异质结构的形貌和电学特性

5.3 ZnO/p-Si异质结构中晶界行为对载流子输运的影响

5.4 ZnO/p-Si异质结构中微结构变化对晶界行为的影响

5.5 本章结论

参考文献

第6章 Si基ZnO薄膜中的晶界电阻温度系数特性研究

6.1 引言

6.2 RF sputtering试样的Ⅰ-Ⅴ和DLTS特性测量

6.3 ZnO/p-Si异质结构电学和深能级中心特性测量

6.4 ZnO/p-Si异质结构晶界电阻温度特性研究

6.4.1 未退火试样晶界电阻温度系数变化分析

2-800℃试样晶界电阻温度系数变化分析'>6.4.2 N₂-800℃试样晶界电阻温度系数变化分析

2-800℃试样晶界电阻温度系数变化分析'>6.4.3 O₂-800℃试样晶界电阻温度系数变化分析

6.5 本章结论

参考文献

第7章 ZnO/n-Si异质结构的光电特性研究

7.1 引言

7.2 ZnO/n-Si异质结构的形貌表征及分析

7.3 ZnO/n-Si异质结构的电学特性表征及分析

7.4 本章结论

参考文献

第8章结论

附录

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