高质量氧化锌基单晶薄膜的生长与稳定掺杂的实验与理论研究

In this research project, we will focus on fundamental scientific issues of ZnO-based wide-gap semiconductors, including improving of the quality of epitaxial single crystal films, constraining the background donor concentration, tuning the band gap in a wide frequency range and enhancing the solid solubility and thermal stability of the acceptors.Based on a model simulation, a buffer layer will be designed to reduce the defects, impurities and stress of epilayers with a high crystallinity and low density of background donors.BeMgZnO quaternary alloy is designed for the first time to overcome the difficulties in structural phase segregation of MgZnO alloy system and in compositional phase segregation of BeZnO alloy.BeMgZnO quaternary alloy system is of promising advanstage both in wide-range tunability of band gap and stabilization of acceptor atoms doped in the host. The first principle simulation together with the cluster- expansion method as well as Monto Carlo method are integrated to predict the most stable alloy composition and most sutable doping techniques for reproducible p-doping. With these solid cornerstones,stable and reproducible p-doped ZnO will have more chance.

本申请着眼于ZnO基半导体的基本问题，围绕提高单晶薄膜质量、降低背景施主浓度、大幅度调节禁带宽度以及提高受主杂质的固溶度和热稳定性等目标展开研究。通过缓冲层设计结合理论计算，得到对缺陷、杂质和应力的控制策略，以提高晶体质量和降低背景施主浓度；针对稳定掺杂和禁带调控，首次提出BeMgZnO四元合金体系，克服MgZnO体系的结构分相和BeZnO体系组份分相的问题，既实现禁带宽度大幅度的连续可调，又起到稳定受主杂质的作用。将第一性原理方法与集团展开方法以及蒙特卡罗方法相结合，确定最稳定合金结构，对ZnO基合金晶体材料及掺杂的稳定性等性质开展理论计算。基于材料和计算进展，围绕受主杂质掺杂热动力学问题以及p型掺杂的均匀性和稳定性问题，最终实现稳定性高、重复性好、电学特性佳的p型氧化锌基晶体薄膜。

本项目围绕着高质量ZnO单晶薄膜的异质外延生长、ZnO合金材料大幅度能带调节以及提高受主杂质固溶度及稳定性这三个关键性方向进行了长达五年的系统性研究。我们使用分子束外延技术，采用Mg/MgO复合缓冲层、调节Zn/O计量比并使用梯度升温的生长方式，获得的高质量低背景电子浓度ZnO单晶薄膜，其 (002)衍射峰的双晶摇摆曲线仅为68 arcsec，背景电子浓度达到1014 cm-3量级。系统性的研究了BeZnO三元合金的相稳定性条件，结合理论计算揭示了通过BeZnO三元合金无法实现能带连续可调的原因所在，并首次提出BeMgZnO四元合金，解决了ZnO三元合金薄膜的结构相变、组份相分离、以及局部晶格畸变等一系列问题，实现了从紫外区到日盲波段(350nm-241nm)的单一六方相能带调节。从理论和实验上研究了Be杂质对N掺杂的辅助作用，发现Be杂质可以有效地增强ZnO表面生长过程中N的掺杂效率，在提高受主浓度和稳定性的同时还能有效降低受主离化能，基于此思路我们成功实现了稳定的p型导电，其空穴浓度为4.10×1016 cm3，迁移率为0.2 cm2/(V•s)。样品电学性能在10个月后仍保持稳定，在此基础上，我们制备了ZnO基同质p-i-n型发光二极管，该器件在室温下和400 K下均表现出色的紫外电注入发光，器件在5个月后仍然可以正常工作。在该项目的支持下，在Advanced Functional Materials, Applied Physcis Letters 等期刊发表论文24篇，申请国家发明专利6项；培养博士研究生、硕士研究生等16名，博士后3名。