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項目名稱： ZnO基材料生長、P型摻雜與室溫電致發光研究
推薦單位： 浙江省
項目簡介： 本項目涉及新型半導體材料與光電子領域。直接寬帶隙半導體ZnO是一種優良潛質的短波長光電子材料，它在紫外、紫藍光波段的發光二極管(LED)和激光器(LD)等方面具有重要應用前景。要實現應用，必須解決材料質量、p型摻雜及電致發光等重要科學問題。在國家"973"計劃、國家自然科學基金重點項目等資助下，通過研究發現了p型摻雜新現象, 建立了3個理論模型闡述了其機理，找到了4種新方法,制備出質量良好的p型ZnO和同質pn結，實現了室溫電致發光,主要創新成果如下：⑴ 首先提出了N替代－H鈍化的p型摻雜方法，發現了非平衡態摻雜機制可解決ZnO中N固溶度低的國際難題，首次用磁控濺射N摻雜法制備出p型ZnO；首創了Al-N共摻雜、NO-N2O混合源摻雜方法等，研制出具有國際先進水平的p型ZnO。建立了"N、H共激活"等理論模型，闡明了p型摻雜機理。研究中形成了20余項發明專利，已授權10余項，擁有一系列核心技術專利，保護了我國在ZnO光電器件應用方面的知識產權。(2) 國際上首次提出非平衡低溫生長與氧離子補償相結合的方法，在非晶玻璃襯底上生長出高度C軸取向的ZnO晶體薄膜，發現了富Zn界面層在由非晶向高選擇性生長轉變中的作用機制，該項結果發表后單篇被他引35次，得到國際同行的廣泛認同。(3) 國際上第一個由MOCVD方法研制出同質ZnO pn結和LED原型器件，成功實現了室溫電致發光，驗證本項目的研究思想與方法是可行的, 為我國ZnO 光電器件應用奠定了基礎。本項目的ZnO p型摻雜及機理研究成果具有原創性，同質ZnO pn結室溫電致發光研究取得突破。共發表論文126篇，被SCI收錄論文95篇，影響因子大于1.5的材料領域國際期刊論文53篇,其中影響因子大于4.0的材料物理領域國際公認權威期刊APL 10篇、JPCB 1篇，論文被SCI他引326次。本項目研究工作得到同行廣泛關注和認同，被美國ZnO研究權威推薦在2006 MRS的ZnO專題會議上作特邀報告。在11個國際學術會議和國際ZnO專題大會上作了邀請報告7次，大會報告9次，在國際上產生了很大影響。
主要發現點： （1） 首先提出了N替代－H鈍化的p型摻雜方法，發現了非平衡態摻雜機制可解決ZnO中N固溶度低的國際難題，首次用磁控濺射N摻雜法制備出p型ZnO和首個Si基ZnO同質p-n結，N替代、H鈍化的摻雜原理已成為目前國際上實現p型ZnO的主要指導性原理之一。（發現點所屬學科：半導體材料，支持發現點的代表性論文8和9）
（2） 國際首創Al-N施主、受主共摻的ZnO p型摻雜方法，發現了N-Al-N復合體是N固溶度提高的重要原因，首次驗證了Al-N共摻技術對ZnOp型導電性的顯著增強作用，實驗上制備出Al、N共摻的p型ZnO和ZnO同質pn結。首先發現了隨生長溫度Al－N共摻ZnO導電類型n與p互變的新現象，建立了N、H共激活理論模型描述導電類型互變機理，為實現Al－N共摻ZnO薄膜n型與p型的實時可控生長提供理論指導。（發現點所屬學科：半導體材料，半導體物理，支持發現點的代表性論文1、2和3）
（3） 首次提出NO-N2O混合源摻雜的方法，有效降低ZnO中N受主的形成能，克服了平衡態摻雜難的國際難題，并由MOCVD技術生長出低阻p型ZnO晶體薄膜，實驗上揭示了空穴傳輸特性對生長氣氛的依賴關系。（發現點所屬學科：半導體材料，支持發現點的代表性論文7）
（4） 首次由MOCVD技術研制出ZnO基同質p-n 結雙層結構發光二極管（LEDs）原型器件，實現了室溫電注入發光。驗證了本項目提出的MOCVD方法p型摻雜技術路線是可行的，適合工業化生產，實際意義極其重大，為ZnO 基發光器件成功走向應用邁出了重要而關鍵的一步。（發現點所屬學科：半導體光電子學，支持發現點的代表性論文10和7）
（5） 首次提出非平衡低溫生長與氧離子補償相結合的方法，在非晶玻璃上生長出高度C軸取向的ZnO晶體薄膜，發現了富Zn界面層在由非晶向高選擇性生長轉變中的作用機制。（發現點所屬學科：半導體材料，支持發現點的代表性論文6）
（6） 首次提出富氧生長的Li摻雜模型，并制備出Li摻雜的p型ZnO晶體薄膜。實驗上首次測定出ZnO中Li受主的能級位置，證明了其為淺施主能級。探明并首先獲得最佳生長窗口，制備出Li摻雜的ZnO同質pn結，為ZnO的p型摻雜提供了新的思路。本論文是國際上第一篇利用I族摻雜元素實現p型ZnO的報道，具有原始創新性。（發現點所屬學科：半導體材料，支持發現點的代表性論文5）
本項目6個發現點的依據請參見附件三－3的查新報告。
主要完成人： 1. 葉志鎮
是創新點1、2、3、4、6主要貢獻者,工作量70%。（1）首先提出了N替代－H鈍化的p型摻雜技術路線并制備出p型ZnO；（2）國際首創Al-N共摻法制備p型ZnO，發現了隨生長溫度Al－N共摻ZnO導電類型n與p互變的新現象，建立了N、H共激活理論模型描述導機理；(3) 首次提出NO-N2O混合源摻雜, 由MOCVD技術生長出低阻p型ZnO晶體薄膜;(4) 首次由MOCVD技術研制出ZnO同質p-n 結和LEDs原型器件，實現了室溫電注入發光;(5) 首次提出富氧生長的Li摻雜模型，并制備出Li摻雜的p型ZnO晶體薄膜
2. 吳惠楨
是創新點5主要貢獻者,工作量60%。首次提出非平衡低溫生長與氧離子補償相結合的低溫物理生長方法，在非晶襯底上實現了高度c－軸取向ZnO薄膜，發現了在非晶玻璃襯底上沉積的ZnO薄膜中填隙Zn點缺陷的聲子模（位于575.5 cm-1）,發表ZnO相關SCI論文20余篇，他人引用近100次，單篇他引35次。
3. 呂建國
主要參與了創新點1、2的研究工作，參與本項目工作量占本人總工作量的80% 。（1）參與提出了N替代－H鈍化的p型摻雜技術路線，并完成制備出p型ZnO；（2）參與提出了國際首創Al-N共摻法制備p型ZnO，參與建立了N、H共激活理論模型描述導機理。（3） 部分參與由MOCVD技術研制出ZnO同質p-n 結和LEDs原型器件，實現了室溫電注入發光。
4. 朱麗萍
參與了創新點2、3工作，參與本項目工作量占本人總工作量的80%。（1） 部分參與創新點2工作，參與完成共摻雜N原子活性模型，揭示了ZnO導電類型隨生長溫度變化的機理；（2） 部分參與創新點3，4工作研制出國際上第一個鋁氮共摻的ZnO同質pn結，二極管正向電流達10毫安量級，并采用MOCVD技術制備ZnO基同質LED原型器件。
5. 黃靖云
參與了發現點1、2、3和4的部分工作。該項研究中的工作量占本人工作量70％。主要學術貢獻是：發現點1：參與完成N替代－H鈍化的ZnO p型摻雜理論模型，參與提出磁控濺射非平衡摻氮制備p型ZnO晶體薄膜的技術路線。發現點2：參與提出Al-N共摻制備p型ZnO晶體薄膜的技術路線，參加部分研究工作。發現點3：參與提出MOCVD中增加等離子輔助摻雜的思路，參與利用MOCVD技術進行p型摻雜研究的部分工作。發現點4：參與提出制備同質ZnO LED以實現室溫電注入發光的思路
10篇代表性論文： 1. P-type conduction in N-Al co-doped ZnO thin films, Appl. Phys. Lett., 85(15): 3134-3135
2. Control of conduction type in Al- and N- co-doped ZnO thin films, Appl. Phys. Lett., 86(20): 202106
3. ZnO p-n homojunctions and ohmic contatcts to Al-N co-doped p-type ZnO, Appl. Phys. Lett., 87 (9): 092103
4. P-type behavior in In-N co-doped ZnO thin films, Appl. Phys. Lett., 87 (25): 252106
5. Dopant source choice for formation of p-type ZnO: Li acceptor, Appl. Phys. Lett., 88 (6): 062107
6. Low-temperature epitaxy of ZnO films on Si(001) and silica by reactive e-beam evaporation, J. Cryst. Growth, 217 (1-2): 131-137
7. Low-pressure MOCVD growth of p-type ZnO thin films by using NO as the dopant source, J. Cryst. Growth, 265 (1-2): 133-136
8. Preparation and characteristics of p-type ZnO films by DC reactive magnetron sputtering, J. Cryst. Growth, 253 (1-4): 258-264
9. P-type ZnO films deposited by DC reactive magnetron sputtering at different ammonia concentrations, Mater. Lett., 57 (22-23): 3311-3314
10. MOCVD法制備同質ZnO發光二極管, 《半導體學報》, 26 (11):2264-2266
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