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作者：吴俊慷厦门大学

学位级别：硕士

以氧化锌、碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体,比传统的硅和砷化镓具有更宽的带隙,更高的临界击穿电场,更快的载流子迁移速度,更高的热导率和更稳定的物理化学性质,应用于电力电子器件、射频器件、光电器件等方面能使器件具有更加优... 详细信息

以氧化锌、碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体,比传统的硅和砷化镓具有更宽的带隙,更高的临界击穿电场,更快的载流子迁移速度,更高的热导率和更稳定的物理化学性质,应用于电力电子器件、射频器件、光电器件等方面能使器件具有更加优越的性能,在新能源动力、航空航天、科研.医疗、军事等诸多领域都有十分广阔的应用前景。本文主要研究溶胶凝胶法生长氧化镁锌薄膜的工艺机制,对不同镁含量氧化镁锌(MgxZn1-xO)薄膜进行设计与表征,研制MgxZn1-xO MSM紫外光电探测器并分析其光电特性,本文还研究设计了宽禁带半导体雪崩倍增分离(SAM)结构的雪崩光电探测器(APD)并进行结构优化仿真与分析,得出了优化的器件结构。本文的主要成果如下:1、对溶胶凝胶法的工艺流程进行了深度优化。结合具体实验条件,探索出了一套制备MgxZn1-xO薄膜的优化工艺。由于传统溶胶凝胶法工艺不能完全适用于本实验的具体条件,本文在传统工艺的基础上,对溶胶凝胶法制备工艺进行了优化,具体包括退火、旋涂、前烘、溶液静置时间以及衬底亲水性处理等工序,成功制备了性能优良的MgxZn1-xO薄膜。2、设计和制备了不同镁含量(x=0.05,0.10,0.15和0.20)的MgxZn1-xO薄膜,并对薄膜的形貌与晶体结构特性进行了表征。通过SEM、XRD、Raman和透射谱分析,薄膜具有纳米颗粒堆叠的表面形貌,没有明显裂痕。晶格结构方面,薄膜依然保持着ZnO的六角纤锌矿结构。不同镁含量的MgxZn1-xO薄膜具有不同的光学禁带宽度(3.38,3.44,3.50和3.55 eV)。3、设计并研制了MgxZn1-xO MSM紫外光电探测器,对器件性能进行了测试与分析。通过对器件相对光谱响应的分析得知,随着镁含量的提升,器件的截止波长和最大光电流波长均出现蓝移,体现出薄膜禁带宽度增大。器件响应度达到0.31 A/W,对应量子效率109.0%,具有光电导增益。器件暗电流密度低至5 nA/cm2,这是目前国际上报道的最低值之一。暗电流有随镁含量的增加而降低的趋势,这是由于肖特基势垒增大所导致。器件的归一化探测率(D*)达到1.5X1011 cm·Hz1/2/W,这也是目前报道的最高值之一。器件具有优秀的性能,主要得益于创新性的优化工艺所带来的MgxZn1-xO薄膜质量的提升。4、通过设计与仿真,研究宽禁带半导体(4H-SiC)SAMAPD的倾角结构对电场分布与击穿电压的影响。结果表明,正倾角结构有助于减小边缘电场强度,抑制边缘提前击穿现象,保证器件的击穿为体击穿,且击穿电压与角度无关。负倾角结构一般会增大器件边缘电场强度,从而致使边缘提前击穿,导致无法实现器件的体雪崩效应。所以在实际应用中,应当采用正倾角结构,避免采用负倾角结构。本文通过优化溶胶凝胶法工艺,成功生长了高质量的MgxZn1-xO薄膜,并在此基础上研制出了具有优秀探测性能的MgxZn1-xO紫外光电探测器。另外,本文还从仿真角度得出了 APD应采用正倾角台面结构才可有效避免器件提前击穿的结论。

关键词：氧化镁锌溶胶凝胶法紫外光电探测器碳化硅雪崩

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氧化锌基材料、异质结构及光电器件

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发光学报 2014年第1期35卷 1-60页

作者：申德振梅增霞梁会力杜小龙叶建东顾书林吴玉喜徐春祥朱刚毅戴俊陈明明季旭汤子康单崇新张宝林杜国同张振中发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院清洁能源前沿研究重点实验室北京新能源材料与器件重点实验室中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室南京大学电子科学与工程学院和南京微结构国家实验室(筹) 中国矿业大学物理学院东南大学生物科学与医学工程学院生物电子学国家重点实验室中山大学光电材料与技术国家重点实验室香港科技大学物理系吉林大学电子科学与工程学院集成光子学国家重点实验室大连理工大学物理与光电工程学院

Ⅱ-Ⅵ族直接带隙化合物半导体氧化锌(ZnO)的禁带宽度为3.37 eV,室温下激子束缚能高达60 meV,远高于室温热离化能(26 meV),是制造高效率短波长探测、发光和激光器件的理想材料。历经10年的发展,ZnO基半导体的研究在薄膜生长、杂质调控和... 详细信息

Ⅱ-Ⅵ族直接带隙化合物半导体氧化锌(ZnO)的禁带宽度为3.37 eV,室温下激子束缚能高达60 meV,远高于室温热离化能(26 meV),是制造高效率短波长探测、发光和激光器件的理想材料。历经10年的发展,ZnO基半导体的研究在薄膜生长、杂质调控和器件应用等方面的研究获得了巨大的进展。本文主要介绍了以国家"973"项目(2011CB302000)研究团队为主体,在上述方面所取得的研究进展,同时概述国际相关研究,主要包括衬底级ZnO单晶的生长,ZnO薄膜的同质、异质外延,表面/界面工程,异质结电子输运性质、合金能带工程,p型掺杂薄膜的杂质调控,以及基于上述结果的探测、发光和激光器件等的研究进展。迄今为止,该团队已经实现了薄膜同质外延的二维生长、硅衬底上高质量异质外延、基于MgZnO合金薄膜的日盲紫外探测器、可重复的p型掺杂、可连续工作数十小时的同质结紫外发光管以及模式可控的异质结微纳紫外激光器件等重大成果。本文针对这些研究内容中存在的问题和困难加以剖析并探索新的研究途径,期望能对ZnO材料在未来的实际应用起到一定的促进作用。

关键词：氧化锌氧化镁锌外延薄膜表面/界面工程紫外探测器

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第一性原理的广义梯度近似＋U方法的纤锌矿Zn(1-x)MgxO极化特性与Zn(0.75)Mg(0.25)O/ZnO界面能带偏差研究

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物理学报 2015年第18期64卷 432-438页

作者：吴孔平齐剑彭波汤琨叶建东朱顺明顾书林安徽理工大学电气与信息工程学院淮南232001 南京大学电子科学与工程学院、微结构国家实验室南京210093

在纤锌矿结构Zn_(1-x)Mg_xO/ZnO异质结构中发现了高迁移率的二维电子气(2DEG),2DEG的产生很可能是由于界面上存在不连续极化,而且2DEG通常也被认为是由极化电荷产生的结果.为了探索2DEG的形成机理及其产生的根源,研究Zn_(1-x)MgxO合金... 详细信息

在纤锌矿结构Zn_(1-x)Mg_xO/ZnO异质结构中发现了高迁移率的二维电子气(2DEG),2DEG的产生很可能是由于界面上存在不连续极化,而且2DEG通常也被认为是由极化电荷产生的结果.为了探索2DEG的形成机理及其产生的根源,研究Zn_(1-x)MgxO合金的极化特性与ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO超晶格的能带排列是非常必要的.基于第一性原理广义梯度近似+U方法研究了Zn_(1-x)Mg_xO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系,其中极化特性的计算采用Berry-phase方法.由于ZnO与Zn_(1-x)Mg_xO面内晶格参数大小相当,ZnO与Zn_(1-x)Mg_xO的界面匹配度优良,所以ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO超晶格模型较容易建立.计算了Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格静电势的面内平均及其沿着Z(0001)方向上的宏观平均.(5+3)Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格拥有较大的尺寸,确保远离界面的Mg_(0.25)Zn_(0.75)O与ZnO区域与块体计算情况一致.除此之外,基于宏观平均为能量参考,计算得到Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格界面处价带偏差为0.26 eV,并且导带偏差与价带偏差的比值处于合理区间,这与近来实验上报道的结果相符.除了ZnO在[0001]方向上产生自发极化外,由于在ZnO中引入Mg杂质会产生应变应力,导致Mg_xZn_(1-x)O层产生额外的极化值.这样必然会在Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/Zn界面处产生非连续极化现象,促使单极性电荷在界面处积累,从而在Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/Zn超晶格中产生内在电场.此外,计算了Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格的能带排列,由于价带偏差△Ev=0.26 eV与导带偏差△Ec=0.33 eV,表明能带遵循I型排列.Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO的这种能带排列方式足以让电子与空穴在势阱中产生禁闭作用.2DEG在电子学与光电子学领域都有重要应用,本文的研究结果将对Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO界面2DEG的设计与优化中起到重要作用,并且可以作为研究其他Mg组分的Mg_xZn_(1-x)O/ZnO超晶格界面电子气特性的参考依据.

关键词：氧化镁锌自发极化静电势平均能带偏差

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纤锌矿Zn_(1-x)Mg_xO极化特性的第一性原理GGA+U方法研究

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发光学报 2015年第5期36卷 497-501页

作者：吴孔平王智陈昌兆汤琨叶建东朱顺明顾书林安徽理工大学电气与信息工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学数理学院安徽淮南232001 南京大学电子科学与工程学院微结构国家实验室江苏南京210093

高迁移率的二维电子气在纤锌矿结构Zn1-xMgxO/Zn O异质结构中被发现,二维电子气的产生很可能是由于这两种材料界面上存在不连续性极化。本文基于第一性原理GGA+U方法研究了Zn1-xMgxO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系,其中极化特性的... 详细信息

高迁移率的二维电子气在纤锌矿结构Zn1-xMgxO/Zn O异质结构中被发现,二维电子气的产生很可能是由于这两种材料界面上存在不连续性极化。本文基于第一性原理GGA+U方法研究了Zn1-xMgxO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系,其中极化特性的计算采用Berry-phase方法。我们将极化分为3个部分:电子极化、晶格极化以及压电极化,结果表明压电极化在总极化中起着主要作用。

关键词：氧化锌氧化镁锌自发极化 Berry-phase方法

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