【摘要】：氧化鎵(Ga203)、氧化鋅(ZnO)、碲化鋅(ZnTe)等半導體具有禁帶寬度大、擊穿場強高、抗輻照性能好等優(yōu)點,成為短波長光電器件、高功率電子器件和新型太陽能電池的重要優(yōu)選材料。然而,寬禁帶半導體普遍存在難以同時實現(xiàn)n型和p型的摻雜不對稱性問題,同時合金體系的電子能帶結(jié)構(gòu)和基本物理特性仍缺乏系統(tǒng)的認識,嚴重限制了器件應(yīng)用的范疇。研究Ga203合金體系的光電特性將有助拓展其對深空紫外探測和功率電子器件中的應(yīng)用,而通過等電子氧摻雜ZnTeO合金則有助于開發(fā)高效中間帶光伏電池,具有重要的科學意義和應(yīng)用價值。本文針對Ga203和ZnTe寬禁帶半導體材料領(lǐng)域的關(guān)鍵問題,通過離子注入、原位摻雜和合金等方法制備出高質(zhì)量(AlxGa1-x)2O3、ZnTeO合金及Cr:Ga2O3摻雜體系,揭示了摻雜和合金對材料結(jié)構(gòu)特征、能帶調(diào)控和光電特性的影響規(guī)律,為后續(xù)實現(xiàn)高功率電子器件、真空紫外探測和高效中間帶光伏電池研究提供物理依據(jù)和材料基礎(chǔ)。具體研究結(jié)果包括:1、利用激光分子束外延技術(shù)(Laser MBE)在c面藍寶石上外延出(-201)取向高度一致的β-(AlxGa1-x)2O3(0≤x≤0.54)薄膜,通過調(diào)控A1組分實現(xiàn)帶隙在4.5到5.5 eV之間可調(diào),且晶格常數(shù)和原胞體積隨組分變化關(guān)系滿足Vegard定律�；诘谝恍栽砝碚撚嬎愫蛯嶒炏嘟Y(jié)合揭示了 β-(AlxGa1-x)203合金間接帶隙的電子能帶結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果顯示,β-(AlxGa1-x)203合金具有典型的間接帶隙特征,價帶頂位于M點,其與價帶Γ點能量差隨著A1組分增加而增加。綜合陰極熒光和XPS分析,β-(AlxGa1-X)2O3合金薄膜表面能帶上翹,主要是由表面費米能級的釘扎效應(yīng)所導致,從而造成表面耗盡與薄膜高阻現(xiàn)象。研究結(jié)果表明通過能帶調(diào)控可有效將響應(yīng)波長拓展至真空紫外,并為實現(xiàn)高功率MOSFET器件提供基礎(chǔ)。2、在c面藍寶石上原位摻雜制備Cr3+:Ga2O3高質(zhì)量單晶薄膜,深入研究了Cr在不同物相Ga2O3中獨特的發(fā)光特性。研究表明,α相Cr3+:Ga2O3單晶在室溫下可觀察到線寬小于1.5nm、波長為697nm的尖銳的R線零聲子線,而在ε相和β相Cr3+:Ga2O3中相關(guān)精細發(fā)光譜線消失。同時Cr3+:Ga2O3中R線零聲子線具有較好的偏振特性,且發(fā)光強度隨激發(fā)功率呈現(xiàn)I ∞ P0.85的亞線性增長,證實其缺陷躍遷發(fā)光的內(nèi)在機理�；诰w場理論,綜合第一性原理計算,Cr3+:Ga2O3中R線零聲子線是八面體晶體場中Cr3+激活離子2E激發(fā)態(tài)至4A2基態(tài)輻射躍遷所導致,且通過時間分辨PL測試室溫下電子在2E能級的的熒光壽命為2.0 ns。這種類原子發(fā)光特性表明Cr3+:Ga2O3不僅有望成為新型激光晶體,而且為量子計算和量子通信所需的室溫單光子發(fā)射器件提供可能。3、將多步離子注入和脈沖激光熔融退火技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)了具有光學活性中間帶能級和有效帶間光響應(yīng)的ZnTeO高失配合金。研究顯示,脈沖激光局域高溫退火導致ZnTeO快速熔融再結(jié)晶,類似于液相外延過程,有效恢復離子注入導致的晶格損傷和防止氧的擴散,但一定程度上導致Te的偏析。綜合吸收譜和光致發(fā)光譜分析表明,激光退火有助于抑制鋅空位等本征缺陷的帶內(nèi)發(fā)光,同時O的等電子摻雜將在導帶底0.45 eV處引入中間能帶,并由局域態(tài)部分轉(zhuǎn)變?yōu)閿U展態(tài)。通過時間分辨PL研究其載流子動力學,表明中間帶電子態(tài)中光生電子壽命達到約1 ns。光電流響應(yīng)結(jié)果顯示中間帶吸收得到顯著增強,說明載流子在中間能級被快速分離進而再激發(fā)至導帶,從而提高ZnTe對低能光子的吸收能力和整體的光電轉(zhuǎn)換效率,為高效中間帶光伏電池的研制提供依據(jù)。4、針對ZnTe納米結(jié)構(gòu)缺陷密度高的問題,通過優(yōu)化金催化物理氣相沉積條件,制備出缺陷密度低、發(fā)光特性好的ZnTe準二維納米帶結(jié)構(gòu),并深入研究ZnTe納米線和納米帶的生長機制。研究結(jié)果表明,ZnTe納米線主要沿[111]方向生長,具有較高密度的堆垛位錯結(jié)構(gòu),甚至形成孿晶超晶格,而納米帶上下表面為{111}面而側(cè)壁為{110}面,且面缺陷密度較低。綜合第一性原理計算結(jié)果表明,ZnTe的{110}面生長具有較低的形成能,ZnTe納米線主要在金催化作用下由氣-液-固(VLS)生長模式獲得,而納米片則是在沿[121]方向生長的納米線的{110}面上通過氣-固生長機制不斷沉積ZnTe所獲得。高質(zhì)量準二維ZnTe納米片可為實現(xiàn)新型半導體微納光電器件的研制提供一種可能的材料體系。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN304
【圖文】：

0邐／ｐ邋Ｔ＾ｖｏｇｙ邋／邋■邋ＧａＮ逡逑＾邋１0，；邐．／＊邐／邐／邋？邋Ｇａ２0３逡逑0邋１０邐＂Ｖ邋ＳｉＣ逡逑＾邋１０３邋１０４逡逑Ｒｅｖｅｒｓｅ邋ｂｒｅａｋｄｏｗｎ邋ｖｏｌｔａｇｅ邋（Ｖ）逡逑ｉ、６Ｈ－ＳｉＣ、ＧａＮ與Ｇａ２０３材料的擊穿場強－導通電阻曲線的而言，隨著人類科學水平和社會發(fā)展的進步，原有的半導體材諸如高速鐵路、電動汽車、智能電網(wǎng)等新的應(yīng)用場景以及社，而氧化鎵材料的寬禁帶性質(zhì)適應(yīng)了當前需求，同時綜合性模晶圓生產(chǎn)方面具有可行性。因此，迫切需要展開對氧化鎵物理性質(zhì)的研究。逡逑ｍａｍ邐ＭＢＷＭ逡逑

（３－Ｇａ２0３屬于三斜晶系空間點陣為Ｃ２／ｍ。單個晶胞中含有２０個原子，其中Ｇａ逡逑原子邋８邋個，０邋原子邋１２邋個。（３－Ｇａ２0３邋的晶格常數(shù)為邋ａ＝邋１２．２３±邋０．０２邋Ａ，邋ｂ＝３．０４±邋０．０１逡逑Ａ，ｃ＝５．８０±邋０．０１邋Ａ和ｐ＝１０３．７±０．３°，如圖１．３所示。元胞之中含有１０個原子，逡逑其中４個Ｇａ原子，６個０原子。晶胞與元胞之間存在如下?lián)Q算關(guān)系：ａ＃邋＝邋（％ｆ邋＋逡逑Ｚ＾）／２，辦元＝（ 0！哢＋邋￡＞＾）／２，ｙ邋＝邋ｃ，在Ｐ＿Ｇａ２0３的晶格中存在兩種Ｇａ位，逡逑５逡逑

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本文編號：2746897