氧化鋅在矽襯底上的分子束外延生長動力學分析

《氧化鋅在矽襯底上的分子束外延生長動力學分析》是依託廈門大學，由詹華瀚擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：氧化鋅在矽襯底上的分子束外延生長動力學分析
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：詹華瀚
• 依託單位：廈門大學

項目摘要

近來，氧化鋅(ZnO)材料得到廣泛關注和研究，但高質量ZnO的薄膜製備、p型摻雜等問題仍然阻礙著ZnO材料套用開發的進一步開展。ZnO材料基本性質研究和材料生長動力學分析變得更加重要和緊迫,但當前ZnO生長動力學的原位分析不足且精細程度不高。本項目將採用分子束外延生長(MBE)和掃描探針(SPM)聯合系統，研究矽(Si)襯底上ZnO的MBE生長動力學。通過最佳化生長條件和材料結構，使用高分辨RHEED和STM/AFM 原位分析表面/界面，以探索高質量ZnO材料的MBE製備。分析雜質缺陷、結構相變及其它物理特性，表面/界面對材料特性的影響。結合理論計算模擬,研究Si襯底上ZnO材料的生長動力學及材料的製備、特性、改性、雜質缺陷、表面/界面等問題。預計將部分揭示ZnO的MBE生長動力學，為高質量Si襯底上ZnO材料的製備提供理論和實驗依據，促進其研究和套用開發。

結題摘要

本課題採用分子束外延生長(MBE)和掃描探針(SPM)聯合系統，結合理論計算和其他實驗方法，開展了矽(Si)襯底上ZnO材料的MBE生長及其動力學相關的研究，取得了一些初步成果和進展。 首先，我們採用MBE方法，控制溫度、壓力、處理過程等實驗參數來最佳化生長條件，使用高分辨RHEED和STM/AFM 原位分析表面/界面，探索了在矽襯底上高質量ZnO材料的MBE製備。生長過程中，以Si(100)¬-2x1再構表面為生長基礎，嘗試了直接生長、MgO緩衝層、MgO/ZnMgO超晶格緩衝層等幾種結構。 XRD和實時的STM/AFM觀測分析表明，在Si(100)-2x1再構上進行ZnO薄膜的MBE生長，初期容易形成閃鋅礦結構的亞穩態ZnO，在表面呈現具有四方特性的小島。其物理特性相當穩定，但在不同的退火條件和隨著時間推移，樣品的表面和結構會發生演變。 進一步的PL、Raman、XRD、XPS、吸收譜、透射譜等實驗分析證實了上述的STM觀察，即材料包含了閃鋅礦結構和六角纖鋅礦結構。隨著時間演變和退火等後期處理，樣品的結構和表面，及光電特性呈現出越來越多的纖鋅礦材料特性。 為了分析ZnO/Si的SiOx界面和控制方法，我們嘗試了不同的襯底表面預處理的方法，結果表明，採用氮化方法有助於減少ZnO和Si襯底間的SiOx界面層，並提高外延ZnO的薄膜質量。此外，採用了多層或者超晶格緩衝層等結構，可以進一步提高外延層的表面和晶體結構性能。 本工作的研究說明，儘管ZnO和Si(100)襯底之間存在著巨大的晶格適配，容易形成閃鋅礦和纖鋅礦混合的薄膜材料，也容易在界面處形成SiOx界面層，但是我們可以採用氮化處理來減少SiOx的界面厚度，使用多層和超晶格緩衝層結構等方法，獲得較高質量的ZnO薄膜，並通過調控超晶格結構的方法，部分調控材料的結構特性。第一性原理計算和蒙托卡羅動力學模擬分析表明，在MBE生長過程中，在單層以內，閃鋅礦結構和纖鋅礦結構交替出現，但在完整的單層內則以纖鋅礦為主。而且在生長過程中，有可能以團簇方式在表面上逐漸沉積。本課題已發表論文7篇。