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作为第三代半导体材料,ZnO(氧化锌)具有很多优点,例如它具有很高的激子束缚能,易湿法腐蚀,具有大面积的ZnO衬底以及材料成本较低等等,被认为是实现蓝紫外光电子器件以及高温或透明电子器件的优选材料。并且,ZnO是少数氧化物中,能够在实验中实现量子尺度的氧化物。同时它的不同形貌的纳米结构在变阻器、气体识别器、催化剂,色素、陶瓷以及光电器件方面也有着广泛的应用前景。因此,近几年来,很多研究小组开展了ZnO纳米结构的制备和形貌控制方面的研究.针对以上研究热点,我们主要开展了ZnO纳米岛的制备、特性和n-Zno/p—GaN异质结发光二极管的研制与性质这两方面的研究工作,取得了相关的研究成果,主要如下:
研究掌握了生长时间和温度这两个参数对ZnO纳米岛生长的影响规律。研究发现随着生长时间的增加,ZnO纳米岛的密度和尺度都会增加。随着生长温度的增加,原子的扩散长度会随着温度的增加而增加,从而导致纳米岛的尺度也增大。而纳米岛的密度则随着生长温度的增加而降低。这个现象和以前的一些报道不相一致,主要是由于随着温度的增加,应力的驰豫没有大到与高温状态下的分裂效应相抵消的程度。通过优化生长条件,采用MOCVD(金属有机气相沉积)方法,在550℃生长时间为2分钟的条件下,在兰宝石衬底上生长出排列整齐的ZnO纳米岛.这些纳米岛彼此分开,整齐的沿着衬底的台阶排列着。
提出并发展了两步生长法来制备高质量ZnO纳米岛的技术。通过对成核期和生长期中不同的氧气含量来分别控制纳米岛的成核和生长,AFM测量显示采用这种两步生长法生长出的ZnO纳米岛的尺寸分布的均匀性比一步生长法有了较大的提高。与此同时,纳米岛的光学性质也有显著的改进,这被认为是由于在生长期富氧状态下所产生的锌空位等相关缺陷所造成。通过对纳米岛低温光致发光谱的研究,并与ZnO薄膜和单晶进行比较,对相关发光峰进行了指认,其中D0X峰相关的施主缺陷被认为是氢,而DAP峰相关的施主缺陷则主要是来自于衬底中的铝。
论文还成功制备出n-ZnO/p—GaN异质结发光二极管。在工艺过程中,对于SiO2和ZnO的腐蚀采用了湿法腐蚀方法。通过控制HF、NH4F and H2O的混合溶液中氢离子的浓度,实现了对SiO2和ZnO腐蚀速率的较好控制。n-ZnO/p—GaN异质结构显示出类似于二极管的整流特性。在正向和反向偏压下,醒目的电致发光都能够用肉眼直接观测到。对于负偏压下,在430nm处的发光峰被认为是在GaN/ZnO异质结构中的界面缺陷所引起的,并不是一般所认为的是来自于p—GaN中的受主Mg原子掺杂所导致的发光。
通过电流—电压特性的测量,论文研究了Al和n-ZnO以及Ni/Au合金与ZnO的金属接触。通过在氮气下快速退火,电流—电压特性测量结果显示出Al和n-ZnO以及Ni/Au合金与ZnO的金属接触质量有明显的提高。对于Al最合适的退火温度是550℃,对于Ni/Au合金则是700℃。并且,通过比较发现,使用Ni/Au合金比使用Al作为电极更加适合于ZnO器件的制备