第1章  緒論 1

1.1  ZnO的基本性質 1

1.2  p型ZnO薄膜的制備與相關理論 2

1.2.1  ZnO的本征缺陷 2

1.2.2  ZnO的p型摻雜 4

1.3  ZnO的量子阱與超晶格結構 6

1.3.1  量子阱與超晶格的基本概念 6

1.3.2  量子阱與超晶格的能帶模型 7

1.3.3  量子阱的激子與超晶格內部的電子運動 8

1.3.4  ZnO基量子阱與超晶格 9

1.4  ZnO的結器件研究進展 11

1.4.1  發光二極管（LED） 11

1.4.2  激光二極管（LD） 17

1.4.3  光敏探測器 19

1.5  本書的研究內容及意義 20



第2章  ZnO p-n結器件的PLD制備方法及相關測試技術 22

2.1  脈衝激光沉積概述 22

2.2  脈衝激光沉積原理 23

2.3  脈衝激光沉積繫統 24

2.4  相關表征技術 25

2.4.1  X射線衍射（XRD） 25

2.4.2  電學性能測試 26

2.4.3  掃描電鏡（SEM） 28

2.4.4  光致發光譜（PL） 30

2.4.5  紫外可見分光光度計（UV-Vis Spectroscopy） 30

2.5  主要工藝過程 31

2.5.1  靶材制備過程 31

2.5.2  襯底的選擇和清洗 32

2.5.3  薄膜的制備 32



第3章  ZnO/ZMO薄膜的研究 34

3.1  制備與表征 34

3.1.1  ZnO/ZMO薄膜樣品靶材的制備 34

3.1.2  ZnO/ZMO薄膜的制備與表征 34

3.2  ZnO/ZMO組分與微結構 35

3.2.1  ZnO/ZMO樣品組分確定 35

3.2.2  ZnO/ZMO樣品微結構分析 36

3.3  ZnO/ZMO薄膜的光學性能 41

3.3.1  ZnO/ZMO薄膜吸收譜分析 41

3.3.2  ZnO/ZMO薄膜光致發光譜分析 42

3.4  ZnO/ZMO薄膜的電學性能 45

3.5  本章總結 47



第4章  ZnMgO多量子勢壘 49

4.1  ZnMgO多量子勢壘薄膜的制備與表征 49

4.1.1  ZnMgO多量子勢壘薄膜靶材的制備 49

4.1.2  ZnMgO多量子勢壘薄膜的制備 50

4.2  ZnMgO多量子勢壘樣品的微結構分析 50

4.2.1  ZnMgO多量子勢壘薄膜的微結構分析 50

4.2.2  ZnMgO多量子勢壘薄膜的電鏡分析 53

4.3  ZnMgO多量子勢壘薄膜的光學性能 53

4.3.1  ZnMgO多量子勢壘薄膜的吸收譜分析 53

4.3.2  ZnMgO多量子勢壘薄膜的光致發光譜分析 55

4.4  ZnMgO多量子勢壘薄膜的電學性能 55

4.5  本章總結 57



第5章  ZnMgO多量子勢壘對ZnO p-n結器件性能的提升 58

5.1  兩種ZnO p-n結器件的制備 58

5.1.1  靶材的制備 58

5.1.2  ZnO p-n結器件H與內嵌ZnMgO量子勢壘ZnO p-n結Q器件的制備 58

5.2  H與Q繫列微結構的比較分析 60

5.2.1  H與Q繫列XRD圖譜比較 60

5.2.2  Q繫列XRD圖譜比較 61

5.3  ZnMgO多量子勢壘對ZnO p-n結的光增益 62

5.3.1  H與Q繫列吸收譜的測試分析 62

5.3.2  H與Q繫列光致發光譜測試的測試分析 63

5.4  ZnMgO多量子勢壘對ZnO p-n結的電學特性提升 65

5.4.1  電極制備的具體說明 65

5.4.2  I-V曲線測試 66

5.4.3  Q繫列反向擊穿電壓的分析 68

5.5  霍爾效應測試 69

5.6  Q繫列樣品的能帶結構分析 70

5.7  關於Q1的霍爾效應測試的討論 71

5.8  本章總結 72



第6章  總結及展望 73

6.1  總結 73

6.2  展望 74



參考文獻 78

ZnO作為第三代寬禁帶半導體，在寬帶隙半導體發光器件領域具有重要的應用前景，從20世紀90年代起，重新受到國際學術界的高度關注。近年來，對ZnO器件的應用研究已經擴展到太陽能電池和柔性發光器件領域。在這些領域的應用中，除了要求進一步降低ZnO薄膜厚度、減少薄膜內應力、提高可見光波段透光率之外，提高ZnO半導體器件界面的電子氣密度和傳輸效率、增強發光增益成為當前亟待解決的關鍵問題。

為了優化和探索ZnO同質p-n結器件的發光性能和光電子傳輸機理，尋找高增益ZnO基器件的解決方案，筆者采用在ZnO器件結構中插入ZnMgO（簡稱ZMO）多量子勢壘層的方法，制備出新型ZnO同質p-n結器件。研究結果表明，采用這種技術明顯地提高了穿過結界面的載流子濃度和電子傳輸速率，初步解決了ZnO基發光器件的高增益問題，為ZnO p-n結器件的應用提供了一個可行的技術方案。

本書介紹的主要研究結果如下：

① 采用激光沉積技術，分別制備出具有高結晶質量的ZnO/Zn1-xMgxO（ZnO/ZMO）層狀薄膜（D繫列）和Zn1-xMgxO非對稱多量子勢壘（簡稱ZMO ADB）結構（E繫列）多層薄膜，兩繫列樣品均具有沿c軸高度結晶取向的六角纖鋅礦結構；並采用Li-N復合摻雜技術，克服了本征n型導電ZnO半導體難以制備p-n結的技術困難，在Si襯底上制備出結晶質量良好的ZnO同質p-n結結構，為實現Si基ZnO p-n結器件的應用奠定了基礎。同時，筆者又采用內嵌ZMO ADB結構新工藝，成功制備出p-ZnO(Li,N)/ZMO ADB/n-ZnO結構薄膜（Q繫列樣品），為實現量子勢壘調控器件性能奠定了研究基礎。在一些關鍵工藝上取得了創新性的研究成果。

② 繫統地分析了ZnO/ZMO薄膜的結構和性能。實驗發現，D繫列薄膜的界面存在著高遷移率的二維電子氣。其中，影響二維電子氣濃度和遷移率的主要因素是晶體層厚度和Mg含量值，在保持一定的Zn1-xMgxO晶體層厚度和控制x值小於0.35時，樣品具有較高的載流子濃度和遷移率。同時發現，當x<0.35時，Mg在ZnO中保持良好的固溶性，薄膜具有纖鋅礦結構；當x值大於0.35時，Zn1-xMgxO開始出現四方相結構。因此，克服四方相的出現是制備具有c軸取向高結晶質量ZnO/ZMO薄膜的關鍵因素。光學實驗發現，D繫列樣品都出現明顯的吸收邊，進一步證明了ZnO/ZMO薄膜具有良好的結晶質量。同時，結合PL譜分析，發現Zn1-xMgxO薄膜的帶隙隨著x=0.15、0.25、0.35，藍移至3.405eV、3.425eV和3.435eV，表明ZnMgO與ZnO兩個晶體層之間的能帶差值被明顯拉開，為在ZnO中構建Zn1-xMgxO多量子勢壘提供了條件，從而確保可以通過ADB量子勢壘的構建實現對其光增益的調控。

③ 繫統地研究了非對稱性Zn1-xMgxO多量子勢壘（ZMO ADB）的結構和性能。在吸收譜中，筆者成功地觀測到了E繫列樣品出現的二維電子態密度所具有的臺階形狀，清楚地表明ZnMgO多量子勢壘在室溫下具有明顯的量子束縛效應。並且，通過光致發光譜發現，ZnO激子發光峰隨著可見光區域的發光峰消失得到明顯的增強，表明在ADB結構中的ZnO勢阱作為激子有源層，在室溫下出現的量子束縛效應是導致光增益的主要原因。此外，通過電學性能分析發現，伴隨著量子散射效應的出現載流子遷移率有所下降。因此，通過ZMO ADB結構的研究，為獲得高發光效率的ZnO器件提供了有價值的實驗數據。

④ 通過H繫列和Q繫列繫統對比分析，深入研究了內嵌ZMO A對ZnO p-n結微結構、性能及光電增益的調控作用。對吸收譜研究發現，代表二維態密度的典型臺階效應的激子峰在室溫下同樣出現在ZnO p-n結結構中。由此，進一步證實了ZnMgO多量子勢壘在p-n結界面上出現了沿ZnO主軸方向的量子束縛效應。同時，在光致發光譜研究中發現，Q繫列的量子勢壘明顯地增強了激子發光強度和限制了可見光區域的能級躍遷，從而提高了ZnO p-n結器件的發光增益。此外，通過兩個繫列的電學性能對比研究發現，相較H繫列而言，具有內嵌ZMO ADB結構的樣品使p-n結的小厚度降低到了原來的44%。並且，在反向電壓作用下，在p-n結整流特性研究中觀測到Q繫列樣品出現了明顯的場致帶間隧道效應。同時發現，載流子的遷移率有明顯的提高。表明在Q繫列中，內嵌的ZMO ADB產生的場致帶間隧道效應是提高遷移率的主要原因。由於場致帶間隧道效應克服了因量子散射效應而導致的遷移率降低和電阻率升高，從而提高了二維電子氣的傳輸速率，促進了器件傳輸性能的提升。因此，通過ZnMgO多量子勢壘的內嵌方案，實現了對ZnO同質p-n結性能的調制。這項研究工作，使ZnO基p-n結器件的應用拓展了新的空間，具有十分積極的意義。

本書的編寫出版得到下列項目的資助：

國家自然科學基金委資助項目，項目批準號61904019；江蘇省產學研合作項目，項目編號BY2018150；江蘇省第16批“六大人纔高峰”資助項目，項目編號XCL-152；常州市國際科技合作計劃項目，項目編號CZ20180015；常州工學院自然科學基金項目，項目編號YN1710。

由於筆者水平有限，書中不足之處在所難免，敬請讀者批評指正！



著者

2021年5月