（凝聚态物理专业论文）lmbe法制备zno薄膜及znotft器件研究.pdf

摘要 摘要 z n 0 是一种宽禁带直接带隙半导体材料，它具有比g a n 更高的激子束缚能，容 易实现室温紫外受激发射，在白光二极管、短波长激光器等领域潜力极大，因而 成为近几年半导体领域的研究热点。随着研究的深入开展，人们发现z n o 是非常 优异的光电材料，具有高光学透过率、生长温度低、击穿电压高、抗辐射能力强、 电子饱和漂移速度高等优点，所以，最近国外已经开展了以z n o 为沟道层的场效 应晶体管的研究工作。值得注意的是，这种场效应晶体管制备温度较低，对衬底 材料要求不高，而且可以制作成全透明的薄膜晶体管，因而预期在薄膜晶体管液 晶显示( t f t l c d ) 中会有更加出色的表现。在这样的研究背景下本论文开展了一 下几点工作： l 、采用激光分子束外延方法在蓝宝石( a l 。如) 、s i 0 j s i 、s i n x s i 等衬底上制 备了商质量的z n 0 薄膜，优化了制备工艺，主要研究了后退火处理对薄膜结晶质 量、表面形貌、发光特性、透过率、光学带隙、电阻率等方面的影响。研究发现 退火处理能有效释放薄膜中的应力、提高薄膜结晶质量：改善薄膜的发光性能， 在5 0 0 c i l i 火处理过的z n 0 薄膜p l 谱中几乎看不到深能级发光现象；提高了薄膜 的光学透过率；增大了薄膜的电阻率。这样高质量z n 0 薄膜的制备为实现z n 0 光 电子器件的制作打下了基础。 2 、根据目前z n 0 t f t 的研究现状和我们实验室的条件，设计了一种结构合理 的z n o 矗t f t ，既先在p 型s i ( 1 1 1 ) 衬底上生长s i 0 。( 或s i n x ) 绝缘层，然后用激光 分子束外延设各在绝缘层上生长z n 0 薄膜，最后用蒸发镀膜和掩模板的方法在z n 0 薄膜上制备源漏电极并形成导电沟道，这是目前国内首次以z n 0 为沟道层制作的 场效应晶体管。电学测试发现。该晶体管工作在n 沟道增强模式，显示了很好的 饱和特性和夹断特性，有较高的电流开关比，阈值电压为1 7 5 v ，电子的场迁移率 达到1 0 5c m 2 v s ，表明z n o 材料在薄膜场效应器件方面有广阔的应用前景。 关键词：l - m b ez n o 薄膜退火 结构光学带黥z n o t f t a b s t r a c t z n o ，ak i n do fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lw i t had i r e c tw i d eb a n d g a p ，p o s s e s s e sl a r g e r e x e i t o nb i n d i n ge n e r g yt h a ng a na n di se a s yt or e a l i z eu l t r a v i o l e te x c i t o n i ce m i s s i o na t r o o mt e m p e r a t u r e i nr e c e n ty e a r s ，z n oh a sb e c o m ea p o p u l a rt o p i ci ns e m i c o n d u c t o r f i e l d sf o ri t sg r e a tp o t e n t i a l i t yi nb r i g h tl i g h t - e m i t t i n gd i o d ea n ds h o r tw a v e - l e n g t hl a s e r d i o d e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s t u d y , i ti s f o u n dt h a tz n oi sa ne x c e l l e n tp h o t o e l e c t r i c m a t e r i a lw i t hm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g ht r a n s m i t e n c e ，l o wd e p o s i t i o nt e m p e r a t u r e ， 1 1 i g hb r e a k d o w nv o l t a g e s t r o n gp r e v e n t i o nt or a d i a t i o n , h i g he l e c t r o ns a t u r a t ee x c u r t i o n s p e e da n d s oo n r e c e n t l y , ar e s e a r c ho i lt h ef i e l de f f e c tt r a n s i s t o rw i t hz n oa saa c t i v e c h a n n e ll a y e rf z n o t f t ) h a sb e e nm a d ea b r o a d i ti sn o t a b l et h a tt h i sk i n do ff i e l d e f f e c tt r a n s i s t o rc a nb em a d ea tl o w t e m p e r a t u r ea n dd o n o tr e q u i r es u b s t r a t e r i g o r o u s l y f u r t h e r m o r e t h i st r a n s i s t o rc a nb en l a d ei n t oe n t i r e l yt r a n s p a r e n t s o , i ti sa n t i c i p a t e dt o w o r kw o n d e r f u li nt h i nf i l mt r a n s i s t o r l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s ( t f t - l c d ) o nt h i s b a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rw o r k e d o f ft h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 h i g hq u a l i t yz n o f i l m sw a s d e p o s i t e do na 1 2 0 3 s i 0 2 s i 、s i n x s is u b s t r a t sb y l a s e r m o l e c u l eb e a me p i t a x y ( l - m b e ) w i t ho p t i m i z e dt e c h n i c s w ef o u c s e so ht h ee f f e c t o fa n n e a l p r o c e s s o nt h ef i l m s i n c l u d i n gc r y s t a lq u a l i t y , s u r f a c em o r p h o l o g y , p h o t o l u m i n e s c e n e e ，t r a n s m i t e n c e ，o p t i c a l b a n d e n e r g y , r e s i s t i v i t y a n ds oo i l t h r o u g ht h es t u d y , i ti sf o u n dt h a ta n n e a lp r o c e s sc a nr e l e a s es t r e s si nt h ef i l m s e f f e c t l y i tc a nh i g h t e n t h ec r y s t a l i z a t i o no f f i l ma n d i m p r o v e t h e p h o t o l u m i n e s c e n c e t h ef i l mw h i c ha n n e a l e do v e r5 0 0 ca l m o s tc a n n o tb es e e na n y d e e pl e v e le m i s s i o n i nt h es p e c t r ao fp l t h i sa n n e a lp r o c e s sc a na l s oi n c r e a s et h eo p t i c a lt r a n s m i t e n c e a n dt h er e s i s t i v i t yo ft h ef i l m t h ep r e p a r a t i o no fs oh i 【g h q u a l i t yz n o f i l m si st h e b a s eo f t h er e a l i z a t i o no f t h ez n o p h o t o e l e c t r i c s 2 o nt h eb a s eo f t h e p r e s e n ts t u d yo f z n o t f ta sw e l la st h ec o n d i t i o n so f o u r l a b w e d e s i g n s ar e a s o n a b l es t r u c t u r ez n o t f t t h a ti sf i r s t g r o w i n g o n ei n s u l a t e d l a y e r ( s i 0 2o rs i n x ) o np - t y p es i l i c o ns u b s t r a t e ，t h e nd e p o s i t ez n ol a y e ro i l t h i s 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 2 级硕士论文 i n s u l a t e dl a y e rb yl m b e ，a n dp r a p a r et h ed r a i na n ds o u r c ep o l a rt of o r mc h a n n e l b yv a p o r a t i o ne q u i p m e n ta n dam a s ki nt h ee n d t h i si s t h ef i r s tf i l e de f f e c t t r a n s i s t o r 、析mz n oa sac a f i v ec h a n n e l l a y e r i nd o m e s t i c b ye l e c t r i ct e s ti ti sf o u n d t h a tt h et r a n s i s t o rw o r k sw e l lo i lnc h a n n e le n h a n c e m e n tm o d ea n de x h i b i t s e x c e l l e n ts a t u r a t i o na n dp i n c h - o f f c h a r a c t e r i s t i c s th a sh i g hi o n l o f t r a t i o ，a n dt h e t h r e s h o l dv o l t a g ei s1 7 5 v , t h em o b i l i t yr a t ei s1 0 5c n l 2 v s a sw a ss t a t e d ，z n o ，a p r o m i s i n gm a t e r i a l ，h a s a g o o d f u t u r ea n dc a nb eu s e di nf i l de f f e c td e v i c e ， k e yw o r d s ：l m b e ；z n ot h i nf i l m s ；a n n e a l ；s t r u c t a r e ；o p t i c a lg a p ；z n o t f t m 第一章z n o 的光电性质披光电器件概述 第一章z n o 的光电性质及其光电器件概述 从上世纪中叶起，随着对硅( s i ) 和砷化镓( g a a s ) 为代表的传统半导体材 料的深入研究推动了微电子、光电子技术的迅猛发展，彻底改变了人们的生活 方式。然而受材料性质的限制，用这些材料制作的光电子器件般工作温度低， 且在抗辐射、耐高击穿电压、发光波长范围等方面都不能满足现代光电子技术的 要求。而以z n o 和g a n 为代表的宽禁带半导体材料具有击穿电压高、抗辐射能力 强、光透过率高、介电常数小、电子饱和漂移速度高等优点衬底“2 1 ，使其在高频、 高温大功率光电子器件中有广阔的应用前景，因而被称为新一代的半导体光电材 料。 z n o 和g a n 同是近几年光电材料研究的热点，但是与g a n 相比，z n o 的优势更 突出。z n o 是直接带隙半导体材料，室温下的禁带宽度为3 3 7 “，与g a n ( e g = 3 4 e v ) 相近，而它的激子结合能为6 0m e v ，比g a n ( 2 1m e v ) 高出许多，因此产 生室温( 热离化能为2 6 m e v ) 短波长发光的条件更加优越；z n o 薄膜的外延生长温 度较低，比g a n 低几百度( g a n 的生长温度为1 0 0 0 ( 2 1 2 0 0 ) ，有利于降低设备 成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量；2 n o 在化学和热学方面具有更好的稳定性； 多方法都可以制备出高质量的氧化锌薄膜；z n o 薄膜对衬底要求不高，在一些非晶 衬底上也能质量非常好的薄膜；高质量的z n o 薄膜在可见光范围有很高的透过率， 是一种新型的透明半导体材料；此外，z n o 具有价格低廉、无毒害、材料来源丰富 等优点，这使它可能成为制备光电予器件的优良材料，极具开发和应用价值扭“。 1 9 9 9 年1 0 在美国召开了首届z n o 专题国际研讨会，会议认为“目前z n o 研究如同 s j 、g e 的初期研究”。从而z n o 材料的制备、性质和器件研究引起了半导体工作 者广泛关注。 1 1 z n o 的结构特性 z n o 是一种新型i i 一族宽禁带宣接带隙化合物半导体材料，在常温常压下的 稳定相是六方纤锌矿结构，其结构如图卜1 所示，锌六角柱和氧六角柱沿c 轴方 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 2 缀硕十论文 向平移( 5 8 ) c 套购而成，属于p 6 a m c 空间群。晶格常数a = 0 3 2 4 9n m ，c = 0 5 2 0 6 0 0 一z n 图1 - 1z n o 的结构示意图 z n o 的晶体结构中，每个锌原子和四个氧原子构成四面体排布，正负离予的配 位数均为4 。z n o 结构相当于0 原子构成简单六方密堆积，z n 原子则填塞于半数 的四面体隙中，另外半数四面体隙是空的。从( 0 0 0 1 ) 方向看，z n o 是由z n 面 和0 面密堆积而成，为a a b b a a b b 式排列，这种排列导致z n o 具有一个z n 极化 面和一个0 极化面，一般用( 0 0 0 1 ) 表示z n 极化面而用( 0 0 0 1 ) 表示0 极化 面，这两种极化面具有不同的物理化学性质，实验表明z n 面较0 面更为光滑。 z n o 的晶体结构决定了该晶体具有c 轴择优取向生长的特性，适合于采用定向外 延薄膜生长技术获得高质量的z n o 薄膜。”。表1 - 1 给出了z n o 的基本物理参数： z n o 的基本物理参数： 晶体结构六方纤锌矿 晶格常数( n m )a = o 3 2 4 9c = o 5 2 0 6 熔点( k )2 2 5 0 沿a 轴方向：4 7 5 室温热膨胀系数( 1 0 。6 k ) 沿c 轴方向：2 9 2 比热( c a l g m ) 0 ，1 2 5 热导率( c a l c m k )0 0 0 6 2 第一章z a o 的光电性质及光电器件概述 激子束缚能( m e v ) 6 0 禁带宽度( e v ) ( 3 0 0 k ) 3 3 7 介电常数 8 5 电子亲和能( e v ) 3 0 光电响应峰值波长( n m ) 4 0 0 四面体离子半径比 1 9 9 禁带宽度温度系数( e v k ) 一9 5 幸1 0 。 折射率( 平均值) 2 2 热电系数( m y k ) ( 5 7 3 k ) 1 2 0 0 电子和孔穴质量乩= o 2 8 地= 1 8 密度( m g c m 3 ) 5 6 7 1 2z n o 的光电性质 z n o 材料具有很好的光电性质，这些性质与其生长条件、结晶质量、掺杂比例、 能带结构等密切相关。普通的生长条件下z n o 很难达到完整的化学计量比，即存在 着锌间隙与氧空位，为极性半导体，呈n 型”1 。 1 2 1 宽禁带 室温下，测量得到z n o 的光学带隙接近3 3 e v ，当温度降低到2 k 时，禁带宽 度增大到约3 4 3 7 e v “；z n o 的禁带宽度可以通过其他二价金属阳离子替换锌离子 得到调节，通常掺入m g 和c d 。( z n o ) ，( c d ) 。薄膜的禁带宽度可在2 2 9e v ( x = o ) 至3 3e v ( x = 1 ) 之间变化；在保持纤锌矿结构条件下，z n 。, m g ；0 混晶薄膜禁带宽 度可在3 3e v ( x = o ) 至4 2 0e v ( x = o 4 6 ) 之间变化”1 。 1 2 2 透明导电 本征的z n o 薄膜电阻率高于1 0 5o c m ，生长条件、遐火工艺或掺杂对z n o 的导电性有很大的影响，一般的生长条件下z n o 为筒并半导体，具有很强的导电 能力，尤其是在掺入a l 、g a 、i n 等元素后，电阻率可降低到1 0 1q c m 数量级。 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 2 级硕 论文 z n o 薄膜在可见光区的透过率高达9 0 ，是一种很好的透明导电薄膜，表现很好的 光电性质。 c h a n g j f 等“”采用磁控溅射法制备的z n o ：a i ( a z o ) 薄膜，电阻率低至6 2 4 1 0 。q c 加，可见光的透射率大于8 0 。为了进一步提高a z o 薄膜的化学稳定 性，t a d a t s u g um i n a m i 等人在a z o 薄膜中分别掺杂c r 和c o ，研究发现薄膜的 抗蚀性提高，并且同样获得低的电阻率。施昌勇等人则利用微波e c r 等离子反应 溅射制备出p = 1 0 q c m ，t 8 0 的a z o 膜。进一步研究“2 1 认为，a z o 膜当a l 含量为 4 ( 原子分数) 时，具有优良的性能。相对于相对于传统的i t o 薄膜，a z o 无毒性， 价格低廉，稳定性好，正逐渐成为i t o 薄膜的替代材料 z n o 薄膜低电阻、高透过率和大的禁带宽度使其可以作为太阳能电池的透明电 极和窗口材料、低损耗光波导器件材料、有机发光二极管( o l e d ) 和液晶显示元 件电极等。 1 2 3 紫外受激发射 短波长发光管和激光器在白光照明及光盘高密度存储方面有着广阔的应用前 景，而z n o 的禁带宽度决定了其本征发光正好处于紫外波段，同时，z n o 具有很 高的激子束缚能( 6 0 m e v ) ，容易实现低阐值室温紫外受激发射，因此z n o 材料在 紫外波段发光器件方面将会有很大的应用前景。多年前就关于z n o 体材料在低温 下电致泵浦紫外受激发射的报道，但是随着温度升高，发射强度迅速淬灭，而未 受到人们的重视。随着薄膜生长技术的不断成熟，薄膜晶体质量的不断提高，p y u 等首先报道了蜂巢状微晶z n o 薄膜的光泵浦紫外受激发射，使人们看ntz n o 电 泵浦激光器的光明前景。 随后的研究表明，z n o 自形成谐振腔和光泵浦紫外受激发射现象不仅存在于蜂 巢状微晶薄膜中，对于多晶薄膜和纳米颗粒z n o 薄膜同样可以观察到紫外发光。 原因在于z n o 薄膜的谐振腔有两种形成方式“”：1 ) c 轴择优取向的六角柱形z n o 薄膜按照“f a b r y p e r o t 模型”，六角柱形晶粒的边界不仅可以作为激子的束缚势 垒，亦可作为谐振胶的光增强反射镜，光子在柱形边界之间来回散射，便形成谐 4 第一章z n o 的光电性质及光电器件概述 振腔，获得相干光增强发射。因晶粒是六角柱形结构，每当与侧面的 1 0 1 0 晶面 垂直时，光子才能来回振荡，故紫外激光发射强度每隔6 0 。出现峰值。2 ) 散射式 自形成谐振腔。在非择优取向的多晶薄膜或纳米颗粒薄膜中，由“随机激光原理”， 光子在这些晶粒或纳米颗粒间散射，当散射的平均自由程小于等于光的波长时， 被散射的光子可回到第一个散射粒子上，进而形成一个闭合的散射回路，这些回 路均呵作为谐振腔，实现光增强发射，这样紫外激光发射在各个角度均可测量得 到。 1 3 z n o 基光电器件及研究进展 随着对z n o 材料的深入研究，短短几年的时问里，人们在高质量的体单晶、取 向薄膜以致纳米线、纳米带、量子点等材料的制备方面取得很大进展“”1 ，对各种 形态z n o 材料的光电性质有了进一步的了解，在这样的基础上，国内外一大批有 实力的科研院所、研究机构开始尝试z n o 基光电器件的研制工作，并取得一定的 进展。 1 3 1 紫外探测器 光电探测过程实质上就是将光信号转变为电信号的过程，根据光电探测的机理 可将光电探测器分为光电导型和光伏特型。紫外探测器广泛用于火灾监测、环境 污染监测和日盲探测等，在信息与军事领域发挥重要的作用。 z n o 是一种宽禁带半导体材料，在紫外波段存在强烈的光吸收，同时它具有较强 的光电导特性，因此可利用g n o 制作紫外光探测器。早期的研究表明z n o 的光反 应包括快速和慢速两个过程“：电子空穴对的产生过程及氧吸收和光解吸过程。 对玻璃衬底上沉积的z n o 的研究表明，后者起主要作用。 2 0 0 0 年报道了利用m o v c d 外延生长z n o 薄膜的光电导型紫外光探测器，它的 结构是m s m ，欧姆接触金属是a 1 ，上升时间和下降时间分别为1us 和1 5 us 。 2 0 0 1 年，w y a n g 的研究小组“”首次在m g 。砜。0 三元材料上，采用插指电极制备 了光电导型的m s m 结构紫外探测器，在5 v 偏压下，对3 0 8 n m 的紫外响应为1 2 0 0 a w ， 其上升时间和下降时间分别为8 n s 和1 5 斗s 。然而，s c h o t t k y 型光探测器光探测 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 2 级硕士论文 器由于高速和低噪声而更有吸引力，2 0 0 1 年美国军方研究实验室的s l i a n g 等“” 报道了在高质量的外延n 型z n o 薄膜上制作的s c h o t t k y 型m s m 紫外光探测器， 薄膜是用m o v c d 在蓝宝石衬底t 生长，a g 和nz n o 形成s c h o t t k y 接触，势垒高 度为0 8 4e v ，在5 伏偏压下的光响应度为1 5 a w ，漏电流大约为l n a 。上升时间 和下降时间分别为1 2 n s 和5 0 n s ，大大提高了器件的质量。 1 3 2 自光l e d 白光二极管是新一代的高效环保照明光源“”，利用l e d 实现白光主要有两种方 法，一是利用蓝色或紫光l e o 激励与它组合的荧光粉产生白光，另一种是利用红色、 绿色、蓝色几种不同光谱的l e d 组合产生白光。目前国际上常采用结构简单的第一 种方法。z n o 是一种理想的短波长发光材料，能以直接跃迁的方式获得高效率的短 波长辐射，并且能通过与c d o 、m g o 组成三元混晶薄膜，使禁带宽度在2 8 4 2 e v 范 围可调，从而覆盖了从红光到紫光的光谱范围，有望开发出紫外、绿光、蓝光等 多种发光器件，图卜2 为白光l e d 结构示意图。 图1 - 2 白光l e d 结构原理 弓l 监 t 研t 走着屡 盒哇 峭片 日本科学家t o r u a o k j 等1 用p l d 方法掺磷生长b p - z n o ，载流子浓度达6 1 0 ”c m ，并初步制作出t p - z n o n z n o 同质结发光二极管，在l l o k 低温下到了白一 紫光辐射。h o h t a 等。”人在氧化钇稳定的氧化锆( y s z ) 衬底上生长p - s r c u 。仉n - z n o ，做成表面尺寸为5 0 0 “m x5 0 01 1m 的u v l e d ，阙值电压约为3 v ，紫外辐射蜂 6 第一章z n o 的光电牲质及光电器件概述 为3 8 2 n m ，外量子效率为1 0 3 。 x l i g u o 的研究小组“”采用脉冲激光沉积技术，以z n 金属片为靶材，经a r f 激光器烧蚀，n ：o 经电子回旋共振或射频原离化后与z n 发生氧化还原反应，在石 英衬底上成功制备p 型z n o 薄膜，其中载流子浓度n = 5 6 1 0 ”c m - 3 ，电阻率= 2 1q c m ，霍尔迁移率u = o 1c m 2 v s 。并且他们以a u 、i n 为电极，首次成功 制得了z n o 同质结发光二极管。最近，日本东北大学a t s u k a z a k i 等采用l - m b e 技术，在s c a l m g o 衬底上成功制作了p i n 型z n o 同质结发光二极管。这种衬底 和z n o 的晶格失配度仅为0 0 9 ，p 型层的制作采用射频源对氮气离化，值得注 意的是他们对衬底的加热采用了一种快速温度调制( r t m ) 技术，所得p 型z n o 的 霍尔迁移率高达8 c m 2 v s ，二极管的发光中心在4 3 0 n m 左右，这是z n o 作为新型光 电子材料研究上的一个飞跃。图3 3 中，左图为p - i n 型z n o 二极管的结构示， 右图为加上2 0 m a 电流后的发光照片。 u o o o m l 帽1 1 0 硼j p z n o 踟删 口：2x 1 0 1 1 c 1 1 r j i z n oc 5 0 帅) n ：2x 1 叫c f f r ， ia u o o o 响) i n - z n o ( 4 0 0n m ) in 1 1 0 t i f f l ) i n ：2xl o w o m - z b t t f w - z n o ( 1 n m ) s 哺m 图卜3z n o 发光二极管结构及其电致发光 白光l e d 具有体枳小、童量轻、燮命长功耗小等优点，小久的禾采将取代灯 泡和荧光灯，使人们进入新的照明时代。 1 3 3 短波长激光器 短波长蓝光或紫光l d 在光盘高密度存储等方面发挥重要的作甩，对于光盘存 可南大学凝聚态物理专业2 0 0 2 级硕士论文 储技术，光盘的信息存储密度反比于激光束聚焦后光束的直径，而该直径又正比 于激光的波长。因此，为提高光信息存储密度，应使用波长尽可能短的激光器。 例如使用a l g a a s 激光器( 波长为7 8 0 n m ) 的c d 盘容量为6 5 0 兆字节，而a i g a i n p 半导体激光器( 波长为6 5 0 或6 3 5 n m ) 的d v d 光盘的容量大约4 7 千兆字节，当激 光器的波长到篮紫波段时，光盘容量可以升至1 5 千兆字节。 最先在这方面取得突破的是香港科技大学的p y u 和z k t a n g 等人，他们在 1 9 9 6 年首次报道了关于z n o 纳米微晶体结构薄膜在室温下的光泵浦紫外受激发射 “矧。1 9 9 7 年，d m b a g n a l l ，p z u 和z k t a n g 等人分别用分子束外延的方法， 在蓝宝石基片上生长出具有蜂窝状微结构的氧化锌薄膜，并观察到在室温下用光 脉冲激发时产生3 9 0 n m 附近的近紫外激光发射。随后美国西北大学的c a o 等“o 人 在z n o 多晶薄膜，z n o 纳米颗粒等材料中都观察到了光泵浦的受激发射，进行了一 系列随机介质光学实验，对随机激光做了较深入地研究，认为随机介质中的激光 现象和光子的局域化密切相关，并用环形腔理论较好的解释了随机介质中的发光 特性，此外，他们还制得了z n o 团簇结构的微激光器。 2 0 0 1 年美籍华人王中林等人采用热蒸发的方法制备了长度为几十微米，宽度 为3 0 3 0 0 n m 的单晶纳米带，为进一步研究低维结构中的电学、光学、热力学输运 过程以及低维量子效应器件奠定了基础。同年，杨培东等人凹1 采用高温气相输运 的方法在蓝宝石衬底上自组织生长出垂直于衬底方向整齐排布的z n o 纳米线阵列， 纳米线直径为2 0 15 0 h m ，长为1 0um ，并在室温下观察到波长为3 8 5 n m 的受激紫 外激光发射，激光阈值尽为4 0 k w c m 2 ，受激辐射峰线宽小于0 3 n m ，同时在3 8 5 n m 的辐射峰的附近产生了间隔为5 n m 的等间隔辐射峰，与理论计算的激光腔纵模间 隔相符，表明z n o 自形成谐振腔，纳米线和蓝宝石的分界面及纳米线自由端表面 正好成为谐振腔两端的反射面，这一结果为实现体积更小，阈值更低的z n o 基激 光器的研制提供了可能性，引起了国际上的广泛关注。 1 3 4 场效应晶体管 z n o 具有很高的化学稳定性和热稳定性( 熔点1 9 7 5 0 c ) ，在大气中不易被氧化， 第一章z n o 的光电性质及光电器件概述 与i 一v 族氮化物和i i 一族硒化物相比，其材料的稳定性是它们无法比拟的，是 一种极有希望用于高温电子器件及大功率光电器件的材料。 美国俄勒冈州立大学的r l h o f f m a n 等3 首先报道了一种用z n o 制作的薄膜场 效应管，也称作薄膜晶体管( t h i nf i 】埘t r a n s i s t o r ，丁即) ，值得注意的是这个 晶体管是一种全透明电子器件。他们在玻璃衬底上用原予层沉积技术交替生长的 a 1 。0 ，和t i0 2 ( a t o ) 薄膜作为绝缘层，z n o 层和源漏电极用离子溅射方法沉积，在 沉积源漏电极前用掩板遮挡z n o 层以形成沟道。为增加源漏电极和有源层的接触 性能用快速退火技术( r t a ) 在氧气氛围中对该结构处理。这样制作的透明z n o 薄 膜晶体管在可见光范围的透过率达到7 5 。研究发现该晶体管为n 沟道增强型， 并有很好的饱和特性，开关电压比高达1 0 7 ，但是载流子迁移率只有 0 3 5 0 4 5 c m 2 v s 。 图卜4 全透明f e t 结构及其透射光谱 2 0 0 3 年5 月，s i e n c e 报道。”了通过反应固相外延技术( r - s p e ) 沉积单晶透 明氧化物i n g a o 。( z n o ) 。作为导电沟道层，制作出透明场效应管( t r a n s p a r e n tf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ，t f e t ) ，并采用高介电材料h f 0 2 作为绝缘层，大大提高了器 件的性能，其室温下的开关电流比约为10 6 ，场效应迁移率高达8 0g i l l 2 v s 。在 3 9 0 h m 一3 2 0 0 h m 波长范围内，其光学透过率大于8 0 ，图1 4 中左为场效应管的结 构示意图，右图为场效应管在3 0 0 3 2 0 0 n m 的透过率及原型器件的照片。该场效应 管的研制成功揭开了全透明电子器件的新篇章。 9 河南大学凝聚态物理专业2 0 0 2 缀硕士论文 篦 ，c m 艇 害醒 、x 一芤 c c v k 图卜5 单根z n o 纳米线f e t 及其i v 曲线 随着l - m b e 、h o c v d 和气相输运法等材料生长技术的不断成熟，基于这些技术 的z n o 低维纳米材料制备及其相关器件研究也取得一些突破。2 0 0 4 年7 月y w h e o 等“”报道了用单根z n o 纳米线制作的f e t ，他们首先愚m b e 技术在a l 热上生长直 径在3 0 1 5 0 n m 、长度约为1 4um 的z n o 纳米线，然后将它转移到s i o ：s i 衬底上， 用电子束刻蚀方法在纳米线两端形成源漏电极，用( c e ，t b ) i g a l 0 。作为绝缘层， 电子束沉积a 1 p t a u 作为栅极，如图卜5 。研究表明该f e t 在室温条件下工作在 n 沟道耗尽模式，闽值电压约为一3 v ，电流开关比为2 5 ，i v 曲线显示了较好的饱 和特性。 1 4 本论文的研究内容 本论文在充分调研z n o 光电性质和光电器件研究状况的基础上，采用激光分子 束外延法在蓝宝石、s i o ：s i 、s i n x s i 等衬底上制备了高质量的z n o 薄膜，优化 了制备工艺。主要研究了后退火处理对薄膜结晶质量、表面形貌、发光特性、透 过率、光学带隙、电阻率等方面的影响，并在国内首次制作了以z n o 为沟道层的 薄膜场效应晶体管( t f t ) ，该晶体管工作在n 沟道增强模式，显示了很好的饱和 特性和夹断特性，有较高的电流开关比，电子的场迁移率到达1 0 5c m 2 v s ，表 明z n o 材料在场效应器件方面有广阔的应用前景。 第一章z n o 的光电性质及光电器件概述 参考文献 【l 】王新强，杜国同，王金忠等，z n o 薄膜的研究进展，半导体光电【j 】2 0 0 0 ，2 l ( 4 ) ：2 3 3 2 3 7 【2 】吕建国，陈汉鸿，叶志镇z n o 薄膜的研究与开发应用进展压电与声光 【3 c a oh ，z h a oygo n ghc ，e t a l u l t r a v i o l e tl a s i n g i nr e s o n a t o r sf o r m e db ys c a t t e r i n gi n s e m i c o n d u c t o rp o l y c r y s t a l l i n ef i l m s ，a p p l p h y s l e t t 1 9 9 8 ，7 3 ( 2 5 ) ：3 6 5 6 【4 z up t a n gzkw o n gg kl ，e t a l ，u l t r a v i o l e ts p o n t a n e o u sa n ds t i m u l a t e de m i s s i o n sf r o mz n o m i c r o c r y s t a l l i t et h i nf i l m sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，s o l i ds t a t ec o m 1 9 9 7 ，1 0 3 ( 8 ) ：4 5 9 【5 】许小亮，施朝淑纳米微晶结构z n o 及其紫外激光物理学进展m 2 0 0 0 ，2 0 ( 4 ) ：3 5 6 3 6 9 【6 】杨晓东紫外光电材z n o 的外延生长及特性研究【d 】西安：西北大学，2 0 0 2 【7 】吕建国，叶志镇，汪雷z n o 薄膜紫外受激发射研究的最新进展半导体光电明2 0 0 2 ，2 3 ( 3 ) ： 1 5 4 1 5 8 【8 d c l o o k r e c e n ta d v a n c e si nz n om a t e r i a l sa n dd e v i c e s m a t e r i a l ss e i a n e ea n de n g i n e e r i n g b o 2 0 0 1 ，8 0 ：3 8 3 - 3 8 7 【9 s c h o o p u t h r d v i s p u t e ，w y a n g , r p s h a r m a , t v e n k a t e s a n ，h s h e n , r e a l i z a - l i o n o fb a n dg a p a b o v e5 0e vi nm e t a s t a b l ec u b i c p h a s em g x z n l 一x o a l l o yf i l m s ，a p p l p h y s l e t t 2 0 0 2 ，8 0 ：1 5 2 9 【1 0 c h a n g jf , w a n gh l ，e la 1 s t u d y i n go f t r a n s p a r e n tc o n d u c t i v ez n o ：a 1 t h i nf i l m sb yr fr e a c t i v e m a g n e t r o ns p u t t e r i n g j j o u r n a lo f c r y s t a lg r o w t h , 2 0 0 0 ，4 ：9 3 - 9 7 【11 t a d a t s u g um i n a m i ，t r a n s p a r e n tc o n d u c t i n gi m p u r i t yc o - d o p i n gz n o - a it h i nf i l m sp r e p a r e db y m a g n e t o ns p u t t e r i n g j 】t h i ns o l i df i l m s ，2 0 0 1 ，3 9 8 - 3 9 9 ；5 3 5 8 1 2 m i n a m it , n a k a t a n _ it , m i y a t at p 1 jv a es c it e e h n o l ，2 0 0 0 ，a i8 ( 4 ) ：1 2 3 4 【1 3 w a n gjg , t i a n s j ，l igb , e la 1 啊je l e c t r o c h em s o c ，2 0 0 1 ，1 4 8 ( 6 ) ：h 6 1 ( 1 4 q w a n , c l l i n , x b y u , t h w a n g r o o m - t e m p e r a t u r eh y d r o g e ns t o r a g ec h a r - a c t e d s t i c so f z n o n a n o w i r e s a p p l p h y s l e l t ，2 0 0 4 ，8 ( 1 ) ：1 2 4 【1 5 w i p a r k , o h k i m ，s w j u l l g ，a n dg y u - c h u ly i ，m e t a l o r g a n i cv a p o r - p h a s ee p i t a x i a lg r o w t h o f v e r t i c a l l yw e l l a l i g n e dz n on a n o r o d s ，a p p l p h y s l e t t 2 0 0 2 ，8 0 ( 2 2 ) ：4 2 3 2 【1 6 h f a b r i c i u s ，t s k e t t r u p p b i s g a a r d , u l t r a v i o l e td e t e c t o r s i nt h i ns p u t t e r e dz n of i l m s a p p l o p t i c s2 5 ，0 9 8 6 ) 2 7 6 4 【1 7 w y a n g , r d v i s p u t e ，s c h o o p u n , r ps h a r m a , t v e n k a t o s a n , h c h e n u l l r a v i o l e t p h o t o c o n d u c t i v ed e t e c t o rb a s e do ne p i l a x i a lm 9 0 3 4 z n 0 6 6 0t h i nf i l m s a p p l p h y s l c t t 7 8 ，2 7 8 7 【1 8 s l i a n g ，h s h e n g ，y - l i u ，z h o u , y - l ua n dh s h e n , z n os e h o t t k yu l t r a v i o l e tp h o t o d e t e c t o r s ， j c r y s t g r o w t h 2 2 5 ( 2 - 4 ) ，( 2 0 0 1 ) 1 1 0 【1 9 】路绍全，l e d 照