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2011CB302000-II族氧化物半导体光电子器件的基础研究.doc

2011CB302000-II族氧化物半导体光电子器件的基础研究

humaoxuanhn
2018-09-05 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《2011CB302000-II族氧化物半导体光电子器件的基础研究doc》,可适用于医药卫生领域

项目名称:II族氧化物半导体光电子器件的基础研究首席科学家:申德振中国科学院长春光学精密机械与物理研究所起止年限:至依托部门:中国科学院二、预期目标项目总体目标:本项目以实现基于II族氧化物半导体的低阈值激光和紫外光电探测器件为目标将重点解决II族氧化物半导体的p型掺杂问题。通过能带剪裁工程、杂质调控工程、带边修饰工程等调控本征施主的产生和发展合适的掺杂方法抑制自补偿发展具有自主知识产权的、被国际同行广泛认可、并可以检验和重复的器件质量p型II族氧化物半导体的制备方法和技术阐明材料微观结构和性能与器件功能的内在关联和规律设计和制备出II族氧化物半导体基低阈值激光器件和紫外探测器件。在取得上述原始创新性突破的基础上密切了解空间光通信、光存储以及其它应用对短波长激光器和光电探测器的使用要求为发展我国具有核心自主知识产权的宽禁带半导体短波长光电子器件提供理论指导和技术储备使我国在II族氧化物半导体方面的研究整体水平处于国际先进部分领先水平满足国家在未来太空星际通讯等事关国防安全的一系列重大问题上对短波长半导体激光器、紫外光电探测器等关键元器件的战略需求。五年预期目标:掌握大尺寸高纯度ZnO晶体的生长和抛光技术获得可用于同质外延生长衬底的高纯ZnO晶体直径英寸、位错密度<cmX射线半高宽<弧秒表面粗糙度Ra<nm。澄清ZnO外延薄膜的极性选择机理以及旋转畴、倒反畴、失配位错和螺位错等微结构对薄膜结晶性和光电性能的影响制备出背景电子浓度在cm量级迁移率大于cmVs的高质量ZnO单晶薄膜。阐明宽禁带半导体掺杂中自补偿效应产生的机制及其有效抑制技术澄清受主掺杂形态及其形成能对p型掺杂的影响发现影响ZnOp型掺杂和稳定性的因素和物理机制获得具有自主知识产权的、被国际同行广泛认可并可以检验和重复的pZnO制备方法和技术生长出稳定的器件质量的pZnO薄膜其室温载流子浓度接近×cm、空穴迁移率达到cmVs。设计出高品质的微腔结构研制出工作于紫外波段功率达到三十几毫瓦光谱半宽度小于nm光束原始发散角小于度阈值电流密度小于Acm的II族氧化物半导体基激子型激光器件。获得响应度大于AW量级、响应时间小于秒量级、紫外可见抑制比大于个量级的II族氧化物半导体基紫外光电探测器件。申请项以上国际国内发明专利发表SCI收录学术论文篇以上其中影响因子大于的论文篇以上影响因子大于的论文不少于篇在II族氧化物半导体材料和光电子器件领域初步建立具有核心自主知识产权的专利体系培养博士研究生名争取培养国家杰出青年基金获得者名中科院“百人计划”类优秀人才人提高我国在宽禁带半导体领域的整体水平和国际影响力。三、研究方案)学术思路:本项目以II族氧化物半导体作为主要研究对象组织国内在该领域做出突出成绩的单位开展联合研究。根据项目的总体目标和拟解决的关键科学问题从提高ZnO晶体的质量入手在得到低背景电子浓度、高迁移率的ZnO基单晶薄膜的基础上进行受主掺杂研究运用杂质控制工程、能带调控工程、带边修饰工程等手段控制受主掺杂状态实现器件质量的p型ZnO。在此基础上制备基于II族氧化物半导体的低阈值激光器件和高性能紫外光电探测器件获得具有核心自主知识产权的II族氧化物半导体基光电子材料和器件的知识体系满足国家在未来太空星际通讯等事关国防安全和国民经济发展的重大问题上对短波长半导体激光器、紫外光电探测器等关键元器件的战略需求。)技术途径:()为了解决杂质调控过程中的补偿效应这一宽禁带半导体面对的共同难题本项目在开展传统的异质外延的同时拟利用ZnO具有生长工艺相对成熟的同质单晶衬底这一优势利用中频感应加热压力温梯法得到大尺寸、高质量的ZnO晶体。在开展异质外延的同时以此晶体作为衬底进行同质外延得到低背景电子浓度、高迁移率的ZnO薄膜。()为了克服V族受主掺杂剂在ZnO中形成能为正值而不能稳定存在的问题拟采用分子束外延(MBE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等技术手段采用锂和氮共掺的办法进行ZnO的p型掺杂。由于锂的化学活性大于锌其与氧可以形成更为稳定的化学键这样就解决了受主掺杂剂不能稳定存在的问题。同时由于LiN键的键长与ZnO键相仿有助于抑制Li间隙的形成。同时占据氧位置的氮和占据锌位置的锂还可以形成双受主增加空穴导电的机率。另外还将利用表面活性原子修饰技术降低受主掺入后系统的能量从而提高受主的固溶度解决受主不易被掺入的问题。利用XPSSIMSXRD等技术手段研究受主在ZnO中的掺杂状态及其对ZnO电、光性能的影响结合第一原理计算阐明p型ZnO的产生机制及其有效获得的实验途径。()由于ZnO的价带顶(VBM)主要由氧的p轨道构成而Op的能级位置很低这导致了受主掺入后其离化能较高。高的离化能使得即使掺入大量受主也只有小部分可以电离提供空穴而受主的大量掺入又会降低结晶质量从而使得自补偿效应更为强烈。因此高的受主离化能严重妨碍了p型ZnO的形成。为了解决这一问题本项目拟利用ZnO材料具有很强的极性这一特点利用极化诱导技术降低受主的离化能解决掺入的受主离化难的问题。()在得到有效p型掺杂的基础上构建PIN激光器结构和紫外光电探测器结构面向新型激光微腔的设计要求结合蒙特卡罗等理论方法仿真ZnO微腔晶体生长过程进行实验制备工艺的优化设计和构建回音壁模激光微腔研究新型微腔中光的增益与损耗、放大与振荡等一系列物理过程同时合理设计表面等离子体激元体系提高光场的空间限域改善微腔的光学品质和激光的输出特性在此基础上得到低阈值的激光器件。)创新点与特色:()采用压力温梯法获得“洁净”的ZnO晶体并以此为衬底进行II族氧化物薄膜的同质外延及光电子器件的制备目前II族氧化物半导体薄膜大多生长在蓝宝石衬底上由于晶格失配、热失配使本征薄膜中的背景电子浓度居高不下这些电子将强烈的补偿掺入的受主使得p型掺杂不易实现。为了解决这一问题人们很自然想到用ZnO单晶衬底开展同质外延。但目前大尺寸ZnO晶体多采用水热法获得该方法制备的晶体中存在较高浓度的锂和钠这些杂质在薄膜生长过程中会扩散到ZnO薄膜中从而降低薄膜的结晶质量。本项目中我们拟在开展较为成熟的异质外延的同时拟采用中频感应加热压力温梯法生长出可扩散杂质浓度非常低的高质量ZnO晶体并用于ZnO薄膜的同质外延。与水热法相比该方法具有温场和晶体生长界面稳定、生长压力低(<MPa)、生长周期短、晶体纯度高、生长装置简便和易于控制等优点可以生长出高纯度、低缺陷的ZnO晶体满足外延生长高质量的ZnO薄膜对基片的质量要求。这样将有利于得到低背景电子浓度、高迁移率的本征ZnO薄膜从而为p型掺杂打下基础。目前国际上尚未就ZnO衬底的杂质、微结构和极性面对ZnO同质外延膜开展系统研究。因此本项目开展的这一内容具有显著的科学价值与创新性一旦成功将对宽禁带半导体的研究起到巨大的推动作用。()通过钝化补偿源抑制自补偿效应在宽禁带半导体中由于施主的形成能远低于受主这样在掺入受主时放出的能量可以抵消施主产生需要的能量因此伴随着受主掺入的同时将产生施主杂质而补偿掺入的受主从而使得p型掺杂难以实现以上现象称为自补偿效应。自补偿效应是GaN,AlN,ZnO等宽禁带半导体面临的共同的严峻问题。该问题的解决将对整个宽禁带半导体领域的发展起到巨大的推动作用。如果能有效钝化产生的施主则有望实现p型电导。本项目中将采用锂氮共掺的办法进行II族氧化物的p型掺杂。由于锂氮之间较强的亲和力锂掺入导致的锂间隙施主将可以被氮所钝化从而使得锂代锌作为受主的作用体现出来从而有望得到p型II族氧化物薄膜。实验上我们进行了初步尝试已经用锂和氮作为双受主掺杂剂得到了pZnO薄膜并在此基础上得到了ZnO基PIN结构在该结构中得到了电流驱动的发光。这一定程度上证实了上述通过共掺方法抑制子补偿思路的可行性。()利用超薄超晶格技术抑制相分离Mg(Cd,Be)ZnO合金材料在II族氧化物半导体能带工程上有重要的应用但由于CdO和MgO与ZnO和BeO具有不同的稳定结晶结构使得形成Mg(Cd)ZnO合金时极易发生相分离。在本项目中将周期性的引入ZnO和MgO超薄层当阱和垒层都很薄时阱之间形成强的耦合构成宽的子能带以及电子波函数在阱和垒中的分布可以使每个子能带与相邻子带都连在一起形成一个连续能带从而可获得Mg(Cd,Be)ZnO中很高的Cd或Mg组分实现带隙调制的同时抑制分相的发生从而有效解决II族氧化物半导体中的分相问题。()采用回音壁模式微腔提高激光性能已见报道的ZnO紫外激光的获得多为FP腔或随机腔。两者分别因很大的透射和散射损耗使激光产生的阈值高、品质因子低且后者的激光输出模式无法确定。本项目利用ZnO单晶天然的六重对称结构基于全反射原理构建回音壁新型激光微腔大大减少透射损耗避免了散射损耗进而提高微腔的品质和激光的输出特性。而表面等离子体激元与腔模的有效耦合将进一步增强光的空间限域效应从而提高光学增益提高激光性能。)可行性分析:多年来本项目的参与单位一直从不同方向开展II族氧化物半导体的研究工作都有承担相关重大课题的经历(详见“现有工作基础和条件”部分)在II族氧化物半导体材料与器件的研究中均有创新和自己的特色并取得了令人瞩目的成绩部分成果已达国际先进水平(详见“国内外研究现状”和“现有工作基础和条件”部分)。通过前期研究打下了理论基础积累了实践经验对该领域研究存在的难点和重点问题有了更清楚的认识为取得重大突破打下了良好的工作基础。本项目联合中科院长春光机所等七家在II族氧化物半导体研究方面各具特色并取得较大进展的单位采取统一组织、合作分工、定期交流的模式进行研究这种集各单位力量协同作战的模式利于调动各种有利因素解决突出问题避免了各单位各自为战、技术保密和进行重复工作的弊端为取得重大突破提供了保证。项目参加单位拥有先进的半导体外延材料生长设备、材料分析测试仪器和半导体材料器件工艺条件(详见“项目实施所具备的工作条件”部分)为本项目取得重大突破打下了坚实的基础。以上事实说明在本项目中完成II族氧化物半导体在低阈值激光器和高性能紫外光电探测器方面重大的理论和实验突破是完全可能的。四、年度计划年月到年月:采用中频感应加热压力温梯法研究大尺寸、高纯度ZnO晶体的生长及其杂质和缺陷控制技术研究ZnO晶体基片超光滑表面的化学机械抛光机理和技术为ZnO的同质外延生长提供优质的衬底。在研究ZnO晶体基片的同时在蓝宝石、硅等异质衬底上开展低背景电子浓度、高迁移率的高质量ZnO薄膜的制备工作。研究异质和同质衬底表面结构及其修饰技术研究薄膜成核初始阶段的极性选择机理以及极性表面的原子结构。年度目标:掌握大尺寸高纯度ZnO晶体的生长和抛光技术获得可用于同质外延生长衬底的高纯ZnO晶体直径英寸位错密度<cmX射线半高宽<弧秒表面粗糙度Ra<nm。年月到年月:研究ZnO外延基片的表面处理工艺力争得到具有二维原子台阶的光滑平整表面。探索ZnO衬底中杂质在外延生长过程中的扩散机制和对外延层的光电性能产生影响的机理提出抑制杂质扩散的控制技术与方法。开展II族氧化物半导体的同质外延生长制备出低背景电子浓度、高迁移率的II族氧化物外延薄膜。研究II族氧化物异质结构和量子结构材料中的极化效应开展极化效应与能带工程的研究研究低维异质结构体系应变层的自发与压电极化作用、压电极化与应变层材料组分和应变的依赖关系、压电极化对异质结构能带的调制作用以及通过应变压电极化实现对低维异质结构电性的能带剪裁。通过对材料微结构的控制及能带工程实现对II族氧化物异质结构材料光电性质的剪裁。利用BeO、MgO、CdO不同的晶格常数和带隙设计三元及四元合金薄膜构筑应变可控的异质结。年度目标:获得背景电子浓度在cm量级迁移率大于cmVs的高质量ZnO单晶薄膜制备出界面陡峭、平整的量子阱结构为高效II族氧化物半导体基激光器件和光探测器件的制备提供优异的器件结构工艺。年月到年月:研究ZnO的同质和异质外延单晶薄膜中杂质和缺陷的种类、分布、存在状态、形成机制及其对ZnO电学和光学性能的影响规律和机制寻找有效的物理方法和技术手段控制杂质和缺陷形成着重提高晶体质量降低缺陷密度减少补偿效应为ZnO的p型掺杂、量子阱制备提供理论指导和技术支持。另外开展ZnO薄膜的p型掺杂研究将着重研究宽禁带半导体中的自补偿规律及其控制技术探索有效的方法和技术解决高晶体质量与高受主掺杂的矛盾研究受主元素在ZnO中的掺杂状态及其对p型ZnO光学、电学性能影响的规律和机制探讨控制受主掺杂状态的理论和技术研究带边修饰对p型ZnO形成的作用机制。年度目标:阐明宽禁带半导体掺杂中自补偿效应产生的机制及其有效抑制技术澄清受主掺杂形态及其形成能对p型掺杂的影响发现影响ZnOp型掺杂和稳定性的因素和物理机制获得具有自主知识产权的、被国际同行广泛认可并可以检验和重复的pZnO制备方法和技术生长出稳定的器件质量的pZnO薄膜其室温载流子浓度接近×cm、空穴迁移率达到cmVs。年月到年月:研究紫外探测器中实现激子有效分离的方法和技术提高响应度研究载流子的传输机制和动力学过程。研究p型和n型掺杂浓度对受激发射阈值的影响。探索实现II族氧化物半导体受激发射的最佳条件和形成规律。探索材料性能器件结构与器件性能间的相互关联研究材料的结构和性能以及器件的结构、电极接触等对器件的性能、效率或响应度的影响规律研究器件工作过程中载流子的复合机制与器件结构的关联性探索提高发光效率、控制发光波长的物理方法和技术。年度目标:获得响应度大于AW量级、响应时间小于秒量级、紫外可见抑制比大于个量级的II族氧化物半导体基紫外光电探测器件和工作于紫外波段的II族氧化物半导体基激光器件。年月到年月:探索构建基于ZnO单晶中光学全反射设计与构建新型回音壁模(WGM)激光微腔以提高激光微腔的品质。主要研究内容包括:从理论上研究气相法和液相法生长ZnO微单晶过程中的不同因素对晶体微结构、形貌、组分的影响并从实验上研究ZnO微腔晶体生长微环境的调控与制备工艺的优化获得符合WGM激光微腔设计要求的ZnO六重对称结构系统研究ZnO微腔中光的放大、振荡、增益、损耗等若干重要因素和物理过程分析ZnO微腔中光的吸收、激发与辐射特性研究激子产生与复合、激光振荡的动力学过程探讨微腔结构、杂质和缺陷对激光输出特性的影响同时设计合理的表面等离子体激元共振体系研究表面等离子体极化激元的产生、传输及其与ZnO微腔的耦合探讨光场的空间局域及其对光学增益的提高在此基础上结合微加工技术进一步设计和制备电泵浦激光器件研究载流子的注入、激子的产生与复合、受激辐射的产生等物理过程寻找提高发光效率和激光性能的途径和物理依据。年度目标:优化激光器件的结构设计出高品质的微腔结构研制出工作于紫外波段功率达到三十几毫瓦光谱半宽度小于nm原始光束发散角小于度阈值电流密度小于Acm的II族氧化物半导体基激子型激光器件。一、研究内容主要研究内容包括以下六点:)可用于同质外延的氧化锌晶体及基片的研制同质外延由于避免了衬底和外延层之间的晶格失配、热失配、物性差异等因素的影响有利于获得更高结晶质量的薄膜。因此可用于同质外延的高质量衬底对制备高性能的光电子薄膜材料和器件至关重要。ZnO与GaN相比最突出的优势之一就是它有同质衬底可供外延生长使用。但是由于目前大尺寸ZnO晶体多用水热法获得这种方法得到的晶体通常具有较高的杂质浓度这些杂质在高温生长时会扩散到外延膜中从而严重阻碍薄膜质量的提高。因此制备高纯度的ZnO晶体是实现ZnO薄膜同质外延的先决条件之一。本项目将在开展传统的异质外延的基础上研究ZnO晶体中杂质和缺陷生成的机理及其控制技术采用中频感应加热压力温梯法研制大尺寸、高纯度的ZnO晶体研究ZnO晶体基片超光滑表面的化学机械抛光机理和技术为ZnO的同质外延生长提供优质的衬底。)II族氧化物半导体外延薄膜的表面界面工程及器件结构研究本项目将研究异质和同质衬底表面结构及其修饰技术并进一步研究插入层对ZnO基薄膜成核的影响研究ZnO成核初始阶段的极性选择机理、极性表面的原子结构从而获得单一极性的II族氧化物薄膜的制备技术。在此基础上研究生长条件如温度、IIVI比对氧原子和锌原子在不同极性面上的行为获得二维生长的优化条件。利用BeO、MgO、CdO不同的晶格常数和带隙设计三元及四元合金薄膜构筑应变可控的异质结制备出界面陡峭、平整的量子阱结构为高效II族氧化物半导体基激光器件和光探测器件的制备提供优异的器件结构工艺。)II族氧化物单晶薄膜的外延生长、极化效应及器件应用与III族氮化物材料相比II族氧化物有一个特别的优势即它不仅可以采用异质外延在蓝宝石等衬底上进行生长还可以采用同质外延的技术这将有可能大大提高材料与器件的性能。本课题将重点研究ZnO外延基片的表面处理工艺力争得到具有二维原子台阶的光滑平整表面。探索研究ZnO衬底中杂质在外延生长过程中的扩散机制和对外延层的光电性能产生影响的机理提出抑制杂质扩散的控制技术与方法。将开展II族氧化物半导体的外延生长制备出低背景电子浓度、高迁移率的II族氧化物外延薄膜。并开展ZnO单晶衬底上外延薄膜的极性控制生长研究实现极性面的可控生长。同时开展II族氧化物半导体的掺杂研究将采用氮掺杂、共掺杂等多种掺杂方法在高质量的外延薄膜中实现可重复的p型掺杂。还将研究II族氧化物异质结构和量子结构材料中的极化效应开展极化效应与能带工程的研究研究低维异质结构体系应变层的自发与压电极化作用、压电极化与应变层材料组分和应变的依赖关系、压电极化对异质结构能带的调制作用以及通过应变压电极化实现对低维异质结构电性的能带剪裁。通过对材料微结构的控制及能带工程实现对II族氧化物异质结构材料光电性质的剪裁。在此基础上开展II族氧化物的器件应用的研究研制出II族氧化物PIN结构发光器件和探测器件。)II族氧化物半导体薄膜中的杂质调控II族氧化物宽禁带半导体薄膜由于具有较强的极性容易产生大量本征施主缺陷这些缺陷强烈地补偿掺入的受主。因此提高晶体质量减少本征施主是ZnOp型掺杂中的关键科学问题之一。另外前期研究结果表明导致p型掺杂困难的主要原因除晶体质量和自补偿效应外还有受主元素在ZnO中掺杂的热力学限制和受主掺杂状态的影响等。本项目将通过理论计算和实验测量相结合研究ZnO的同质和异质外延单晶薄膜中杂质和缺陷的种类、分布、存在状态、形成机制及其对ZnO电学和光学性能的影响规律和机制寻找有效的物理方法和技术手段控制杂质和缺陷形成着重提高晶体质量降低缺陷密度减少补偿效应为ZnO的p型掺杂、量子阱制备提供理论指导和技术支持。另外本项目在开展p型掺杂工作中着重研究宽禁带半导体中的自补偿规律及其控制技术探索有效的方法和技术解决高晶体质量与高受主掺杂的矛盾研究受主元素在ZnO中的掺杂状态及其对p型ZnO光学、电学性能影响的规律和机制探讨控制受主掺杂状态的理论和技术研究带边修饰对p型ZnO形成的作用机制制备器件质量的p型ZnO薄膜为II族氧化物半导体光电子器件的实现打下基础。)基于II族氧化物半导体的低阈值激光器件和光电探测器件研究ZnO最重要的潜在应用就在于其有可能实现低阈值激光因此开展II族氧化物半导体基低阈值激光的相关问题研究是本项目的核心之一。本项目将制备界面陡峭、平整的ZnO基量子阱结构并研究载流子的传输机制和动力学过程研究器件工作过程中载流子的复合机制与器件结构的关联性探索提高发光效率、控制发光波长的物理方法和技术尽可能实现载流子在ZnO中的富集。另外还将研究谐振腔的形成及其对ZnO受激发射的影响另外还将研究p型和n型掺杂浓度对受激发射阈值的影响。通过优化条件探索实现II族氧化物半导体受激发射的最佳条件和形成规律。II族氧化物半导体合金材料氧镁(镉)锌的禁带宽度在eV范围内可调预示着其在紫外光电探测方面有潜在的应用。目前MgZnO基紫外探测器也面临着晶体质量差、p型掺杂困难以及潜在的价带对称性改变等问题。在制备过程中由缺陷和杂质而引入的能级严重影响着材料的性能如何认识、理解这些能级的行为和机制排除、屏蔽以及利用这些能级是提高紫外光电探测器件性能的基本问题。本项目将探索材料性能器件结构与器件性能间的相互关联研究材料的结构和性能以及器件的结构、电极接触等对器件的性能、效率或响应度的影响规律研究紫外探测器中实现激子有效分离的方法和技术提高响应度制备出高性能的II族氧化物半导体基紫外光电探测器件。)基于II族氧化物半导体的新型激光微腔设计在获得激光二极管的基础上本项目将探索构建基于ZnO单晶中光学全反射设计与构建新型回音壁模(WGM)激光微腔以提高激光微腔的品质。主要研究内容包括:从理论上研究气相法和液相法生长ZnO微单晶过程中的不同因素对晶体微结构、形貌、组分的影响并从实验上研究ZnO微腔晶体生长微环境的调控与制备工艺的优化获得符合WGM激光微腔设计要求的ZnO六重对称结构系统研究ZnO微腔中光的放大、振荡、增益、损耗等若干重要因素和物理过程分析ZnO微腔中光的吸收、激发与辐射特性研究激子产生与复合、激光振荡的动力学过程探讨微腔结构、杂质和缺陷对激光输出特性的影响同时设计合理的表面等离子体激元共振体系研究表面等离子体极化激元的产生、传输及其与ZnO微腔的耦合探讨光场的空间局域及其对光学增益的提高在此基础上结合微加工技术进一步设计和制备电泵浦激光器件研究载流子的注入、激子的产生与复合、受激辐射的产生等物理过程寻找提高发光效率和激光性能的途径和物理依据。

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