MOCVD法制备ZnO的成核与生长研究

【摘要】氧化锌（ZnO）是一种直接帶隙宽禁带半导体材料，在室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，在短波长光电子器件和光探测器等领域有着极为广泛的应用前景。为了实现ZnO器件与Si芯片工艺的集成，人们广泛关注于Si衬底上ZnO的生长。但是因为ZnO和Si衬底的晶体类型差异与晶格常数差异，制备高质量ZnO/Si薄膜一直是个难题。而且，自ZnO纳米线的紫外光泵浦激射被报道以来，合成不同尺寸与形貌的ZnO纳米晶/微米晶成为科研人员广泛关注的一个研究方向。但是由于ZnO纳米/微米结构的性质受制于材料的有效尺寸与形貌，因此通过调节生长条件实现对ZnO微纳米结构尺寸与形貌的控制一直以来都是非常重要的研究课题。成核是外延生长的第一步，成核形貌影响着外延生长的模式和晶体质量。但是关于ZnO的生长过程，仍然缺少对成核过程的研究。本文采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在Si衬底上生长ZnO，研究了不同温度和不同时间对成核过程和外延生长的影响。1、研究了温度和时间对ZnO成核过程的影响。研究发现成核温度和时间对成核过程具有很大影响。随着成核温度的升高，晶核尺寸和晶核间距逐渐变大。随着时间延长，ZnO晶核尺寸变大，密度变小。2、研究了不同温度和时间下的成核过程对后期外延生长的影响，我们发现，ZnO晶核的密度和尺寸强烈影响着ZnO的外延生长过程。最后在560oC的成核温度下、60s的成核时间内实现了对ZnO薄膜晶体质量的优化。3、ZnO薄膜的表面形貌和结晶特性由成核过程和后期外延生长过程共同决定，通过加入对成核过程的分析，研究了温度对MOCVD生长ZnO薄膜的影响机理。研究发现，温度对成核过程和外延生长过程均有很大影响。温度升高，成核尺寸增大，密度变小，有利于得到较小密度、更大尺寸的ZnO纳米柱。但由于高温对ZnO纳米柱横向生长的抑制，纳米柱的尺寸并没有因为成核尺寸的增大而变大，因此在560oC得到了晶柱尺寸最大、密度最小的ZnO薄膜。最后通过改变成核温度，优化了ZnO外延膜的结晶质量。
【作者】张金香；
【导师】张宝林；
【作者基本信息】吉林大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】MOCVD；ZnO；Si衬底；成核；薄膜；

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