ZnO薄膜的MOCVD生长和性质研究

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本文采用自制MOCVD系统对Al2O3(0001)及Si(111)衬底上ZnO薄膜材料的生长进行了研究,并研究了Al2O3(0001)衬底上ZnO薄膜经HCl、H2SO4、NaOH及H2O2溶液湿法处理后的表面、结构及发光特性以及退火对ZnO薄膜性质的影响。所获得的具有创新和有意义的研究结果如下: 1、采用自制MOCVD系统研究了Al2O3(0001)衬底上ZnO薄膜材料的生长,且摸索了部分最佳生长条件。低温缓冲层的最佳生长温度为150~200℃,最佳厚度约为100nm,外延层的最佳生长温度范围为600~700℃。 2、系统地研究了ZnO薄膜被稀HCl或H2SO4溶液刻蚀后的表面和发光特性。研究结果发现ZnO薄膜被这些溶液刻蚀后表面较平整,在干涉显微镜下没有观察到明显的腐蚀坑。首次研究了ZnO薄膜被稀HCl和H2SO4溶液湿法刻蚀后的室温PL谱特性。研究结果表明,稀HCl和H2SO4对ZnO的发光性质没有明显的影响,且10K下的低温PL谱测试结果也表明,pH≈4的HCl对ZnO的激子发光影响很小。这些研究结果为将来ZnO-LED的湿法刻蚀工序提供了一定的参考。 3、首次研究了ZnO薄膜被NaOH及H2O2溶液处理后的表面、结构和发光特性。研究结果表明:高纯H2O2溶液在一定时间内能将ZnO薄膜表面的一些污物清洗掉而使表面光滑平整;而ZnO薄膜被NaOH溶液处理后表面出现平整或直线裂纹两种现象,通过此现象讨论了NaOH溶液刻蚀ZnO薄膜的机理。NaOH和H2O2溶液对ZnO薄膜的深能级发光具有相似的效应,即具有强的525nm绿光的ZnO原生样品经NaOH或H2O2溶液处理后,强的525nm绿光将大大减弱,并移至500nm附近;而没有明显深能级峰的ZnO原生样品经NaOH或H2O2溶液处理后,也总是在500nm附近出现弱的绿光。这些研究结果对探讨525nm和500nm绿光的起源提供了依据,并对将来ZnO-LED制作过程的清洗和湿法刻蚀具有一定的参考价值。 4、退火研究结果发现:700℃以下,退火气氛对ZnO膜的深能级发光影响较大;超过700℃后,退火温度对ZnO薄膜的发光影响大,但退火气氛影响不太明显。通过退火对ZnO薄膜发光特性的影响,并结合H2O2和NaOH溶液室温下对ZnO薄膜深能级发光的影响。本文认为525nm绿光可能起源于氧空,而500nm绿光可能与不稳定的Zn-O键有关,这点与文献的结论不同。 5、首次采用常压MOCVD法,在Si衬底上引入过渡Al层生长ZnO外延膜。所获得的ZnO薄膜的质量与目前文献报道的最好结果即GaN/Si上生长的ZnO薄膜的质量相当,且本文所采用的生长工艺简单、反应源便宜、生长速率快,适合于商业化批量生产。
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