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氧化锌单晶电化学充氢及腐蚀导致的微结构和缺陷研究

薛旭东  王涛  姜静  李培海  曾辉  吴奕初  
【摘要】:氧化锌(ZnO)半导体由于其广泛的用途受到越来越多的关注。然而,至今ZnO一些基本的性质还没有研究清楚,例如,n型导电以及p型ZnO稳定性等。第一性原理计算表明,在排除了本征缺陷(氧空位和锌填隙)的可能性外,氢(H)被认为是最有可能导致其n型导电的原因。目前,许多实验已经研究了ZnO在氢气氛下退火,氢等离子体处理以及氢离子注入等导致的缺陷与其性质之间的联系,然而,通过电化学充氢H和ZnO的相互作用却很少报道。另外,光电器件的制造过程中化学刻蚀也是关键的一步。本文采用慢正电子束技术,配合X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等对比研究了ZnO单晶电化学充氢及腐蚀导致的微结构和缺陷的变化。获得主要结论如下:1.XRD的结果证实氢的引入导致了ZnO晶格膨胀,使其(0002)峰向小角度偏移。2.AFM及SEM观察表明:电化学充氢初期样品表面形成独立分布的六角金字塔状结构,滑移可能起始于ZnO内部的位错与(0001)面的交汇处,当充氢导致的应力超过了ZnO的屈服应力,塑性形变就会发生,从而形成了丘状(hillock)的金字塔结构。类似地,六角腐蚀坑的形成位置也可能起始于ZnO内部的位错与(0001)面的交汇处,溶液中的H~+更容易与Zn面下的氧原子相互作用,使得腐蚀得以进行。由于{1011}面是ZnO中最坚固的,因此纵向的腐蚀在遇到这个面就会停止,导致通过AFM观察到呈阶梯状的腐蚀坑。3.慢正电子束的多普勒展宽测量结果指出,充氢样品形变层产生大量的缺陷导致S参数的显著上升。然而,腐蚀的样品却没有许多空位型的缺陷或腐蚀相关的缺陷对正电子不敏感,S参数变化不大。

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