高质量ZnO微纳米柱同轴异质结构阵列的选择外延生长、p型掺杂及器件应用

The application of ZnO based optoelectronic devices have faced enormous technical difficulties and scientific problems, efficient p type doping in high quality ZnO is the main technical difficulty, low doping efficiency induced by high formation energy of the acceptor doping, low hole activation due to deep acceptor doping level and high concentration of compensating donor induced by the low formation energy of the intrinsic defects is considered to be the main obstacle to realize the high quality p doping ZnO. To solve this scientific problem, the project put forward to realize the effective acceptor doping by using the large surface to volume to effectively reduce the acceptor dopant formation energy in ZnO micro-nano rods, to realize the effective hole activation by lowing the acceptor doping level via iso-electronic S/N co-doped technology, to effectively reduce the compensation ratio with effective p type conductive obtained by using the optimization techniques of MOCVD growth to suppress the formation of the main compensating donor, interstitial zinc in the N doped ZnO. The project will employ high quality Zinc Oxide single crystal wafer as substrate, using nanoimprint technology and selective growth technology to achieve high quality ZnO micro controllable micro-nano rods growth, combined with MOCVD technology to attain the ZnOS alloy thin film growth, bandgap energineering of ZnO based alloy and efficient p-type doping by S/N codoping, realize micro-nano rods coaxial heterostructures and quantum well structure (ZnOS/ZnO or ZnCdO/ZnO) via epitaxial lateral growth. In the case, ZnO based micro-nano rods coaxial light emitting diode with vertical structure will be investigated and studied finally.

高质量ZnO 的p型掺杂已成为其光电器件应用的主要技术困难与科学难题，较高的受主掺杂形成能、较深的受主掺杂能级和较低的本征缺陷形成能是实现高质量p型掺杂的最大障碍。针对这一科学难题，项目提出利用ZnO微纳米结构较大的表体比来有效降低受主掺杂形成能，实现有效受主掺杂；利用等电子S/N共掺技术有效减小受主掺杂能级，实现有效空穴激活；采用MOCVD生长工艺的优化技术，抑制N掺杂ZnO中最主要补偿施主间隙锌的形成，有效降低补偿度，实现有效p型空穴导电。项目将以高质量氧化锌单晶为衬底，采用MOCVD技术研究掌握单相ZnOS合金薄膜的生长、能带调控与S/N共掺杂技术，结合纳米压印技术与选择外延生长技术实现高质量ZnO微纳米柱阵列的可控生长，研究掌握ZnO微纳米柱侧表面同轴异质结构与量子阱结构的径向外延生长及S/N共掺p型ZnO制备技术，在此基础上，研制出垂直结构ZnO基微纳米柱同轴异质结发光原型器件。

高质量氧化锌的有效p型掺杂已成为其光电器件应用的主要技术困难与科学难题，氧化锌中较高的受主掺杂形成能、较深的受主掺杂能级和较低的本征缺陷形成能是实现高质量p型掺杂的最大障碍。针对这一科学难题，项目从氧化锌外延薄膜中补偿施主与掺杂受主的形成与调控以及微纳米柱阵列的制备与生长掺杂控制等方面对氧化锌中的掺杂行为与性能调控开展了深入、细致的研究探索：研究了高质量异质外延氧化锌薄膜的缓冲层作用机理，揭示薄膜本底n型掺杂的起源以及与缺陷的关联，研究掌握了氧化锌微纳米柱阵列制备技术以及外延生长技术，探索研究了氧化锌薄膜与微纳米柱中间隙锌的形成与补偿调控机制，掌握了氧化锌薄膜中补偿施主的调控技术，深入研究了与锌空位相关的受主的形成机理，特别是与锌空位相关的复合缺陷以及锌空位氮掺杂的形成、控制与性质，研究掌握了等价受主元素碲和硫与氮的共掺技术，并实现对氮掺杂效率的显著增强以及能带的有效调节。研究发现氧化锌薄膜中存在的薄膜晶体质量与p型掺杂效率之间的矛盾，正如项目预期的那样在氧化锌微纳米柱中由于表面态的存在得到了一定程度的调和，研究结果显示采用共掺技术制备的微纳米柱不仅能保持其晶体结构的高质量，同时也可呈现出可靠的p型掺杂。但进一步的研究表明在氧化锌微纳米柱中晶体质量与掺杂效率之间的矛盾并未得到真正的解决，相关掺杂特征仅存在于微纳米柱的表面并表现出较低的受主掺杂浓度，难以满足高质量p型掺杂与器件研制的应用目标的基本要求。在以上研究基础上，课题组研制出氧化锌微纳米柱同质pn结紫外与可见发光器件与氧化锌纳米线异质pn结光电探测器件，圆满完成了项目预定目标。课题已发表SCI论文28篇，其中通信作者SCI论文26篇，授权国家发明专利2项。上述研究成果系统揭示了现有氧化锌材料中低质量p型掺杂这一科学技术难题所以产生并尚难解决的内在机理和物理根源，对深入理解和揭示氧化锌p型掺杂的技术困境和未来可能的突破途径具有很好的指导作用和积极意义。