ZnO离子束结构表征与离子注入改性研究

Abstract

ZnO是Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体，属于六方纤锌矿结构，室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，具有优良的电学和光学性能，在紫外及深紫外发光器件、光探测器件等短波长光电器件领域有着很好的应用前景，同时通过过渡金属的掺杂也有望实现ZnO基稀磁半导体，从而应用于自旋电子学领域。 离子束技术是一种在半导体工业应用极为广泛的杂质引入和结构表征修饰技术，通过对注入离子条件的控制可以进行功能不一的掺杂，实现材料电学、光学、磁学性质的显著变化，并且离子束分析技术可以弥补其他实验技术的不足，实现无损、高灵敏度、高精确度的微结构分析。 本论文利用离子束技术进行ZnO基材料的结构分析及离子注入改性研究，主要内容有以下四个方面： 1.脉冲激光沉积(PLD)生长单晶ZnO外延膜。详细研究了生长条件对ZnO薄膜的影响，通过对衬底温度(400℃-900℃)、氧分压(0.015Pa-15Pa)、靶衬距(40mm-60mm)、激光脉冲能量(160mJ-400mJ)、缓冲层等条件的优化，得到质量较佳的单晶ZnO外延膜。优化得到较佳生长条件为：衬底温度750℃，氧分压0.05Pa，靶衬距50mm，激光脉冲频率10Hz，脉冲能量150mJ。在该生长条件下得到样品的基本参数为ZnO(0002)面X射线衍射(XRD)摇摆曲线半高宽0.40°，(10-12)面摇摆曲线半高宽0.66°；卢瑟福背散射(RBS)测得＜000l＞轴Xmin=8％，且沟道谱退道效应不明显，外延膜有着良好的界面。进一步结合XRD和RBS对其微结构进行了详细了分析，得出镶嵌结构倾斜组分Wtilt=0.485°，扭曲组分Wtwist=1.303°,两种组分之间相互影响较小。同时利用该结果修正得到1.57MeV的He+进行＜0001＞轴角扫描的半角宽理论值为0.82°，该轴Xmin理论值为1.62％。 2.N离子注入ZnO的电学改性。N离子注入能量为120keV，剂量为1014N/cm2，1015N/cm2，1016N/cm2，注入后样品分别在O2和N2气氛中进行30分钟不同温度(650℃-950℃)的退火。XRD研究发现氧气中退火样品有二次项出现且证实其为ZnxNy。Hall效应测量得到较佳条件下(剂量为1015N/cm2，O2中850℃退火30分钟)的p型ZnO的电学参数为空穴浓度9.95×1018cm-3，Hall迁移率14.3cm2/Vs。同时在PL谱中观察到了N受主相关的3.26eV和3.18eV光致发光峰，证实确是N替代O形成受主。 3.过渡金属注入ZnO的磁学改性。Ni、Mn离子注入能量为80keV，剂量为8×1014～7×1016/cm2，注入后样品在O2中700℃快速退火5分钟。XRD测量没有发现样品中有二次相，交变梯度磁强计(AGM)测量得到明显的室温磁滞现象，进一步利用超导量子干涉仪(SQUID)测量磁化强度随温度变化曲线表明ZnNiO、ZnMnO具有铁磁和超顺磁混合磁性，注入剂量为7×1016Mn/cm2的ZnMnO具有自旋玻璃态磁性特征，而ZnNiMnO具有单一相的铁磁性。 4.MgZnO及MgZnO异质结的微结构表征。结合RBS和XRD详细研究了Mg0.28Zn0.72O外延膜的微结构，XRD测量没有发现MgO二次相，RBS得到Xmin=7.7％，垂直、水平弹性应变分别为e⊥=-0.10％，e∥=0.15％，说明与ZnO相比，Mg0.28Zn0.72O的c轴和a轴硬度更为接近，同时Mg0.28Zn0.72O的c轴方向比a轴方向弹性更大。进一步研究了ZnO/MgZnO/ZnO异质结的四方畸变随深度的变化，发现异质结中的四方畸变eT在薄膜与衬底的界面释放迅速，在厚度为200nm左右时已基本完全释放(eT=-0.013％)。