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ZnO材料由于其宽带隙(3.37 eV),较高的激子束缚能(60 meV)的特点,在短波长半导体光电器件如发光二极管(LED),激光器(LD)有着潜在的应用前景。ZnO单晶的研制将有利于解决现阶段第三代半导体光电器件的瓶颈问题-优质衬底。此外,一般认为基于高质量单晶可以为相关的物理机制探索提供明确、高度可信和可重复性的数据,将有利于ZnO相关的基础科学问题的解决。本文中就大尺寸ZnO单晶的生长和质量分析、ZnO单晶中一些与载流子输运相关的半导体物理问题研究、Ga重掺高导ZnO单晶中的半导体物理机制研究,ZnO:(Co,Ga)高导稀磁半导体(DMS)单晶中的物理机制研究这四个方面进行研究。
在前期工作中,本课题组发展了一种生长优质ZnO单晶的新型水热法,在此基础上,本论文展开了对ZnO单晶中与载流子输运相关的半导体物理机制研究,同时在对单晶物理机制研究的基础上对晶体的生长设备和技术进行反馈,生长出30 mm的ZnO单晶。此ZnO单晶具有很好的物理特性,(002)双晶摇摆曲线半高宽FWHM小于21 arcsec,主要杂质含量远低于1 ppm,10 K下的PL谱图出现激子发射峰而没有出现黄绿带缺陷峰；在较高载流子浓度(4.09x1016cm-3)存在下仍维持高的室温迁移率(239 cm2/Vs,接近于本征计算值),变温迁移率峰值超过了1500 cm2/Vs,这些都说明了晶体的高质量。单晶的变温Hall测试、深能级瞬态谱、原子核反应分析和退火实验均表明了高载流子浓度(4.09x1016cm-3)很可能是由于间隙氢引入的两个主导浅施主能级(ED1(电离能)=47 meV,ED2(电离能)=31 meV)引起的。
在ZnO单晶生长和半导体物理机制研究工作的基础上,本文利用了同样的生长条件生长了ZnO:Ga高导单晶和ZnO:(Co,Ga)高导稀磁半导体单晶,并对单晶中的一些半导体物理机制和磁学性能进行研究。
Hall测试表明Ga0.05％Zn99.95％O单晶的室温载流子浓度高达1.07x1019 cm-3,研究表明镓掺杂引入的载流子浓度具有极高的热稳定性(1000度退火后电学性能没有改变),还可以形成一种电子简并化半导体。对单晶体上的自由载流子光吸收散射机制进行分析,其散射机制被确定为与电离杂质(Ga离子)相关的散射机制。我们推测PL谱图中的近边峰(3.276 eV)应该是由于自由载流子带间复合造成的。初步测试表明了ZnO:Ga晶体在超快闪烁体领域有着巨大的应用潜力(近边峰375 nm发光衰减时间小于10ps)。
X射线衍射、Rietveld分析、可见光吸收光谱和X射线吸收精细谱图证实了在Zn98.9517％Co0.9690％Ga0.0793％O单晶中Co为替位掺杂,磁学测试表明单晶2-300k温度范围内均没有发生铁磁性转变,而是表现为典型的顺磁性,这说明高达2.610×1019 cm-3的电子载流子浓度和3.645×1020 cm-3的Co掺杂含量并不能使得Co离子之间产生铁磁性耦合,表明载流子调节交换模型在解释ZnO:Co稀磁半导体铁磁耦合机制很可能存在理论缺陷,从而实验上支持了缺陷调节交换模型应用于ZnO:Co稀磁半导体材料的合理性。高Hall迁移率暗示着Co取代Zn位后不会在ZnO晶格中形成大散射截面的载流子散射中心。低于高自旋态磁矩(3.8μB)的Co离子有效磁矩(2.8μB)表明最近邻的Co离子之间可能通过O原子形成了反铁磁耦合。我们推测在完整晶格中铁磁性耦合难以通过施主型杂质或者电子载流子形成。