本文使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法在不同切割角的c面蓝宝石衬底上外延氧化镓(β-Ga2O3)单晶薄膜, 揭示了衬底切割角对外延薄膜晶体质量的影响规律。研究表明, 当衬底切割角为6°时, β-Ga2O3外延膜具有较小的X射线摇摆曲线半峰全宽(1.10°)和最小的表面粗糙度(7.7 nm)。在此基础上, 采用光刻、显影、电子束蒸发及剥离工艺制备了金属-半导体-金属结构的日盲紫外光电探测器, 器件的光暗电流比为6.2×106, 248 nm处的峰值响应度为87.12 A/W, 比探测率为3.5×1015 Jones, 带外抑制比为2.36×104, 响应时间为226.2 μs。
超宽禁带半导体 氧化镓薄膜 金属有机物化学气相沉积 日盲紫外光电探测器 切割角 外延 ultra-wide bandgap semiconductor β-Ga2O3 film metal organic chemical vapor deposition solar-blind ultraviolet photodetector off-cut angle epitaxy
1 金陵科技学院电子信息工程学院，南京 211169
2 南京大学电子科学与工程学院，南京 210093
金刚石表面的电子特性很容易受到其表面覆盖物的影响，而目前表面稳定、性能优良的表面覆盖层依然处于研究与寻找中。本文研究的过渡金属Cu不仅在半导体微加工中被广泛使用，更由于过渡金属Cu与金刚石都具有优异的散热性能，因此Cu覆盖金刚石已经超出寻常电极使用的意义，其金属-半导体结构更具有表面修饰剪裁电子特性的功能。文中通过使用密度泛函模拟方法，研究了Cu的不同覆盖度(0.25 ML、0.5 ML和1 ML)下金刚石(001)表面的单原子吸附能、稳定构型以及稳定体系的能带结构特性。结果表明，各种覆盖度下的Cu原子在金刚石(001)表面具有较稳定的表面吸附构型，并且过渡金属Cu的覆盖使得金刚石(001)表面产生了约为-0.5~-0.3 eV的负电子亲和势，肖特基势垒高度约为-0.16~0.04 eV，这些理论结果与实验结果基本一致。因此过渡金属Cu作为表面覆盖层在金刚石基电子发射器方面具有重要的应用价值。
金刚石表面 覆盖度 负电子亲和势 电子结构 第一性原理计算 diamond surface coverage negative electron affinity electronic structure fist-principle calculation
1 安徽理工大学 电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
2 安徽理工大学 数理学院, 安徽 淮南 232001
3 南京大学电子科学与工程学院 微结构国家实验室, 江苏 南京 210093
高迁移率的二维电子气在纤锌矿结构Zn1-xMgxO/ZnO异质结构中被发现, 二维电子气的产生很可能是由于这两种材料界面上存在不连续性极化。本文基于第一性原理GGA+U方法研究了Zn1-xMgxO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系, 其中极化特性的计算采用Berry-phase方法。我们将极化分为3个部分: 电子极化、晶格极化以及压电极化, 结果表明压电极化在总极化中起着主要作用。
氧化锌 氧化镁锌 自发极化 Berry-phase方法 ZnO MgZnO spontaneous polarization Berry-phase method
1 发光学及应用国家重点实验室 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春130033
2 中国科学院清洁能源前沿研究重点实验室 北京新能源材料与器件重点实验室 中国科学院物理研究所 北京凝聚态物理国家实验室, 北京100190
3 南京大学 电子科学与工程学院和南京微结构国家实验室(筹), 江苏 南京210046
4 中国矿业大学 物理学院, 江苏 徐州221116
5 东南大学 生物科学与医学工程学院 生物电子学国家重点实验室, 江苏 南京210096
6 中山大学 光电材料与技术国家重点实验室, 广东 广州510275
7 香港科技大学 物理系, 香港999077
8 吉林大学电子科学与工程学院 集成光子学国家重点实验室, 吉林 长春130012
9 大连理工大学 物理与光电工程学院, 辽宁 大连116023
Ⅱ-Ⅵ族直接带隙化合物半导体氧化锌(ZnO)的禁带宽度为3.37 eV, 室温下激子束缚能高达60 meV, 远高于室温热离化能(26 meV), 是制造高效率短波长探测、发光和激光器件的理想材料。历经10年的发展, ZnO基半导体的研究在薄膜生长、杂质调控和器件应用等方面的研究获得了巨大的进展。本文主要介绍了以国家“973”项目(2011CB302000)研究团队为主体, 在上述方面所取得的研究进展, 同时概述国际相关研究, 主要包括衬底级ZnO单晶的生长, ZnO薄膜的同质、异质外延, 表面/界面工程, 异质结电子输运性质、合金能带工程, p型掺杂薄膜的杂质调控, 以及基于上述结果的探测、发光和激光器件等的研究进展。迄今为止, 该团队已经实现了薄膜同质外延的二维生长、硅衬底上高质量异质外延、基于MgZnO合金薄膜的日盲紫外探测器、可重复的p型掺杂、可连续工作数十小时的同质结紫外发光管以及模式可控的异质结微纳紫外激光器件等重大成果。本文针对这些研究内容中存在的问题和困难加以剖析并探索新的研究途径, 期望能对ZnO材料在未来的实际应用起到一定的促进作用。
氧化锌 氧化镁锌 外延薄膜 表面/界面工程 紫外探测器 ZnO MgZnO molecular beam epitaxy surface/interface engineering ultraviolet photodetector
南京大学电子科学与工程学院 南京微结构国家实验室， 江苏 南京210093
以活性较低的叔丁醇(t-BuOH)和水(H2O)作为氧源，采用MOCVD技术生长了ZnO薄膜。研究发现，t-BuOH作为氧源可以有效地抑制其与锌源之间的气相预反应，比H2O作为氧源进行ZnO薄膜的外延生长具有更高的生长速率，得到的ZnO薄膜晶体质量更优，同时载流子的迁移率可以达到37.0 cm2·V－1·s－1， 表明t-BuOH更适合作为氧源通过MOCVD系统生长ZnO薄膜。
氧源 ZnO ZnO MOCVD MOCVD O precursor t-BuOH t-BuOH
南京大学 电子科学与工程学院和南京微结构国家实验室， 江苏 南京 210093
利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，在ZnO/ZnMgO异质结构上制备SiO2作为栅绝缘层，采用光刻与腐蚀工艺制备ZnO/ZnMgO异质结场效应管。电学性能测试及计算结果表明器件栅压调控作用明显。发现栅端漏电流对器件性能造成一定影响。在低温条件下，栅绝缘层产生钝化，从而能够改善器件的性能。
异质结场效应管 迁移率 ZnO/ZnMgO ZnO/ZnMgO heterostructure field-effect transistor(HFET) mobility
1 中国矿业大学理学院物理系,江苏 徐州 221116
2 南京大学物理学院 固体微结构物理国家重点实验室,江苏 南京 210093
3 徐州空军学院航空弹药系,江苏 徐州 221000
为了研究ZnO掺Sb后电子结构和光学性质的变化,采用基于密度泛函理论 对纯净ZnO和Sb掺杂ZnO两种结构进行第一性原理的计算。 计算结果表明:随着Sb的掺入,体系的晶格常数变大,键长增加,体积变大,系统总能增大。能带中价带和导带数目明显变密, 费米能级进入导带,体系逐渐呈金属性,带隙明显展宽。在光学性质方面,主吸收峰的左边出现了新的吸收峰, 是由导带上的Zn-4s和Sb-5p轨道杂化电子跃迁所致;同时介电函数虚部波峰发生一定程度的升高,实部静态介电常数也明显增大。
材料 氧化锌 第一性原理 光学性质 掺杂 materials ZnO first-principles optical properties doping
南京大学物理系 南京微结构国家重点实验室, 江苏 南京210093
利用金属有机源化学气相沉积(MOCVD)生长方法，在2.5 kPa和5 kPa生长压强下，分别以sapphire(Al2O3)和ZnO为衬底生长ZnMgO薄膜。研究分析了样品的晶体结构、表面形貌、光电学性质。结果表明，衬底和生长压强对ZnMgO薄膜的生长有重要影响。5 kPa高压生长和以ZnO为衬底均有利于ZnMgO薄膜中Mg的掺入。
ZnMgO薄膜 衬底 生长压强 ZnMgO films substrate pressure
1 中国矿业大学理学院物理系, 江苏 徐州 221116
2 南京大学物理学系, 固体微结构国家重点实验室, 江苏 南京 210093
3 徐州空军学院航空弹药系, 江苏 徐州 221000
为了研究外压调制对半导体材料 ZnO 晶体结构和光学性质的影响, 采用基于密度泛函理论 (DFT) 的第一性原理 对不同外压条件下 ZnO 晶体的晶格常数、介电函数、复折射率、吸收系数、反射率等的变化特性进行了模拟计算研究。 计算结果表明:随着压力的增大, 晶体的晶格常数、晶胞体积缓慢变小, 内坐标u值逐渐增大, Zn-O 键长缩短, 共价性增强, 带隙Eg明显展宽。光学特性谱显示不同外压对低能段光学性质的影响并不明显, 而在高能段, 随着压力的增大光学性质发生明显的蓝移。
材料 氧化锌 第一性原理 光学性质 调制 materials ZnO first-principles optical property modulation
