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氧化锌(ZnO)是一种直接带隙半导体材料,室温下带隙为3.37eV,激子束缚能为60meV。ZnO因其优越的光电特性在高亮度蓝紫光发光器件、紫外探测器件和短波长激子型激光器等方面具有广阔的应用前景。同时,ZnO通过与Mgo、BeO、CdO合金化生成三元化合物AxZn1-xO(A=Mg、Be、Cd),其带隙宽度能够从2.3eV连续可调到10.6eV,这就为实现ZnO基异质结、量子阱、超晶格等结构材料与器件提供了可能。目前,ZnO基材料与器件的研究已取得了令人鼓舞的突破性进展,同质发光二极管已得到初步实现,发展Zno基材料与器件及其能带工程已成为当前半导体科学技术研发的热点。
本论文针对目前ZnO材料器件研究的前沿问题,就ZnO光电器件的制作工艺开展了深入细致的研究和探索工作,针对金属-半导体接触的热处理工艺对N掺杂p型ZnO薄膜光电性质的影响,探讨了p型ZnO:N薄膜导电类型的转变机制,并进一步开展了MgxZn1-xO基紫外光电探测器的材料制备与器件研制。具体取得了以下主要结果:
1.根据ZnO材料的特点,提出并开发了BHF(HF:NH4F:H2O)的湿法腐蚀方法与技术,通过控制NH4F的含量,成功实现对ZnO的腐蚀速率在200nm/min～800nm/min的可调可控,腐蚀效果具有较高深宽比,为制作ZnO基器件奠定了基础。探索了适合ZnO基光电器件制作的其它平面工艺,包括光刻、电子束蒸发金属、剥胶、快速热处理合金化以及金丝键合等工艺,获得了相关适合于ZnO材料与器件制作的工艺参数,初步掌握并实现相关ZnO基光电器件和薄膜晶体管(TFT)等原型器件的相关工艺流程,为研制ZnO基光电器件奠定了工艺基础。
2.研究了氮气氛条件下快速退火工艺对Ni/Au与ZnO:N薄膜接触特性的影响。原生样品表现为弱的肖特基接触,适当温度退火后,接触特性由弱肖特基接触转变成了欧姆接触,650℃退火后得到最小比接触电阻率8×10-4Ωcm2。霍尔测量表明550℃快速退火后,样品的导电类型由p型转变成了n型,研究发现退火所导致的薄膜电学性质的变化以及所引起的界面态密度的增加是接触特性变化的原因。
3.研究了快速热处理工艺对氮掺杂ZnO的光电性能的影响,霍尔测量结果表明当退火温度低于350℃时,ZnO:N薄膜表现为p型导电行为,而当RTP的温度高于550℃时,其导电行为就转变为n型。拉曼测量显示由RTP将引起碳团簇在ZnO晶界的重新富集,光致发光谱显示碳团簇或与碳相关的杂质的形成与样品中600nm左右的可见光发光峰具有一定的关联,研究表明热处理导致的相关本征缺陷的形成以及碳形态的变化与ZnO:N薄膜的导电类型转型有直接关联。
4.利用MOCVD制备方法,通过调制Mg、Zn气相比制备出不同组分的Zn1-xMgxO合金,Mg的固态含量从0变化到0.49,其禁带宽度从3.31eV覆盖到5.17ev。XRD测量结果表明低镁组分的MgxZn1-xO为六方单相结构,高镁组分的MgxZn1-xO为立方单相结构,中间组分的MgxZn1-xO中则存在相分凝现象。ZnMgo合金生长过程中较高的气相比的要求以及相分凝现象可能与Mg与Zn原子在薄膜生长表面的竞争机制有关。采用生长的Zn1-xMgxO研制出了M-S-M结构的紫外探测器原型器件,该器件在327nm的响应度为1.9×10-4A/W,并具有较高的抑制比。