ZnO薄膜的MOCVD同质外延生长及相关基础科学问题研究

ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体，在光电子器件领域有着广泛的应用前景。由于ZnO单晶衬底的相对稀缺，目前绝大多数ZnO薄膜是在晶格失配和热失配的异质衬底上生长的。异质外延是影响ZnO薄膜晶体质量和电光学性能，造成薄膜中存在大量缺陷和非故意掺杂杂质，并阻碍其应用的重要原因。在ZnO单晶衬底上进行同质外延生长，可望获得高质量、低缺陷密度的具有优异电光学性能的ZnO薄膜，从而促进ZnO基光电子器件的发展。本申请拟采用金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）在课题组自有的ZnO单晶衬底上进行ZnO薄膜的同质外延生长研究，围绕提高ZnO薄膜晶体质量和降低缺陷密度开展工作，发展出高质量ZnO薄膜的MOCVD同质外延生长方法，获得高质量低背景载流子浓度的非掺高阻ZnO薄膜，获得电学性能稳定且载流子浓度可调控的n型ZnO薄膜，获得高质量单一六方相ZnMgO薄膜，并对MOCVD同质外延的优越性进行器件印证。

ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体，在光电子器件领域有着广泛的应用前景。由于ZnO单晶衬底的相对稀缺，目前绝大多数ZnO薄膜是在晶格失配和热失配的异质衬底上生长的。异质外延是影响ZnO薄膜晶体质量和电光学性能，造成薄膜中存在大量缺陷和非故意掺杂杂质，并阻碍其应用的重要原因。在ZnO 单晶衬底上进行同质外延生长，可望获得高质量、低缺陷密度的具有优异电光学性能的ZnO薄膜，从而促进ZnO 基光电子器件的发展。本项目采用金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）在石英玻璃、蓝宝石衬底上进行了异质外延生长，对MOCVD设备参数进行了调试优化，获得了单一取向的具有低背景电子浓度的高质量ZnO薄膜；在优化ZnO单晶衬底的表面处理工艺后，采用Zn面、O面ZnO单晶衬底进行了同质外延生长，获得了以二维层状生长的非掺ZnO薄膜；采用Mg掺杂对ZnO进行了能带工程，获得了单一六方相的ZnMgO薄膜，并研究了生长参数对Mg并入效率的影响规律。采用Al掺杂获得了低阻高迁移率的n型ZnO薄膜，研究了Al掺杂对ZnO薄膜的生长模式的影响机制，采用拉曼光谱研究了AZO薄膜中的电子和光学声子耦合相互作用，采用X射线吸收精细结构谱(XAFS)研究了两步法制备的AZO薄膜的电子结构。在器件仿真的基础上研制出了高响应的ZnMgO日盲紫外探测器。借助已经发展的较为成熟的GaAs HEMT器件进行了对HEMT生物传感器初步探索的工作，以期为制备ZnO基HEMT生物传感器奠定基础。