[01411459]ZnO单晶薄膜的MOCVD生长及特性研究

成果简介：1、课题来源与背景：ZnO半导体材料由于激子束缚能高达59meV，具有很高的发光效率，用于高效率半导体发光器件的潜力巨大。2、研究目的与意义：国际上制备ZnO材料的技术仍很不成熟，尤其是MOCVD方法生长的ZnO薄膜质量很差。该项目拟通过研究ZnO薄膜的MOCVD生长机制，探索出制备高质量ZnO的方法并制造出用于高质量ZnO薄膜生长的MOCVD设备。3、主要论点与论据：(1)强烈的汽相反应是导致MOCVD难以制备高质量ZnO薄膜的重要原因。通过设计一种套管喷头反应器，课题组解决了汽相预反应的问题，获得了良好的生长模式。(2)过渡层的成核温度是决定ZnO外延薄膜晶体质量的重要原因。低温成核得到的薄膜具有平整的表面但XRD摇摆曲线半峰宽更宽，高温成核得到的薄膜具有更粗糙的表面但XRD摇摆曲线半峰宽更窄。(3)O源是影响MOCVD生长的ZnO薄膜性能的重要因素。与H<,2>O相比，N2O作为O源生长的ZnO薄膜具有更好的结晶性能、发光性能和更高的电子迁移率。(4)通过在Si表面在线铺一层金属如Zn和Al可以避免Si表面被氧化的问题，AlN具有合适的晶格常数和热膨胀系数，使用Al/Al作为过渡层可以在Si上生长出高质量的ZnO薄膜。(5)高温热退火可以有效地提高ZnO薄膜的晶体质量，文献中常见的退火导致发光性能变差的结果实际仅发生在薄膜表面，薄膜主体部分发光性能并未变差。4、创见与创新：(1)该项目在蓝宝石衬底上生长出(002)摇摆曲线半峰宽112秒、(102)摇摆曲线214秒的ZnO薄膜，为同期文献中MOCVD制备的ZnO最好结果。(2)发现N2O是生长ZnO的一种良好的O源。(3)提出了一种Al/AlN过渡层结构，并在Si衬底上生长出(002)摇摆曲线半峰宽410秒、(102)摇摆曲线1321秒的ZnO薄膜，为同期文献中最好结果。(4)发现高温退火导致的发光性能变差仅发生在薄膜表面，薄膜主体发光性能实际变好。