非極性ZnO基單晶薄膜的制備及ZnO-ZnMgO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能研究.pdf

1、基于ZnO的特性（直接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度3.37eV，激子束縛能60meV），其被認(rèn)為有望成為新一代的光電器件材料。ZnO的“能帶工程”是指通過合金化對(duì)其進(jìn)行能帶裁剪，并在此基礎(chǔ)上制備高質(zhì)量的量子阱結(jié)構(gòu)，它是實(shí)現(xiàn)ZnO光電應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。然而，通常情況下ZnO沿極性c軸方向擇優(yōu)生長(zhǎng)，這會(huì)使其受到自發(fā)極化和誘導(dǎo)極化的影響，由此產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)將使多量子阱結(jié)構(gòu)的內(nèi)量子效率降低、發(fā)光波長(zhǎng)紅移，從而對(duì)器件性能造成不利影響。為消除上述不利影響，我

2、們的工作重點(diǎn)將致力于非極性a面ZnO基單晶薄膜的制備及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能研究。主要包括高質(zhì)量、帶隙可調(diào)的Zn1-xMgxO薄膜的制備，ZnO/Zn1-xMgxO異質(zhì)結(jié)能帶帶階的測(cè)定，ZnO/Zn1-xMgxO多量子阱光學(xué)性能的研究以及GaN緩沖層對(duì)ZnO薄膜晶體質(zhì)量的提升。獲得的主要研究成果如下:
　　1.采用射頻等離子體輔助分子束外延（P-MBE）技術(shù)，通過優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)，在r面藍(lán)寶石上外廷得到非極性a面Zn1-xMgxO合金薄膜。

3、(1120)面搖擺曲線半高寬(FWHM)為1300～2000arcsec，(1011)面FWHM為1600～1900arcsec;所有薄膜表面原子級(jí)平整，均方根粗糙度都小于1 nm。通過改變薄膜中Mg組分從0增大至16％實(shí)現(xiàn)室溫光致發(fā)光(PL)峰位從3.29eV至3.63eV可調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)隨Mg含量的增加薄膜更傾向于a面擇優(yōu)生長(zhǎng)。
　　2.采用X射線光電子譜(XPS)芯能級(jí)技術(shù)研究了Mg含量對(duì)非極性a面ZnO/Zn1-xMgxO異

4、質(zhì)結(jié)能帶帶階的影響。不同Mg組分下異質(zhì)結(jié)均表現(xiàn)為I型能帶結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)a面Zn1-xMgxO的能帶展寬主要發(fā)生在導(dǎo)帶。相對(duì)于極性異質(zhì)結(jié)，非極性異質(zhì)結(jié)具有更小的價(jià)帶帶階△EV和更大的導(dǎo)帶帶階△EC，這種能帶結(jié)構(gòu)有利于對(duì)其進(jìn)行高效的p型摻雜。
　　3.采用P-MBE技術(shù)在r面藍(lán)寶石上獲得了單一非極性取向、表面平整且界面陡峭的a面ZnO/Zn1-xMgxO多量子阱。通過PL測(cè)試研究了量子阱的光學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)在室溫和低溫下多量子阱均顯示出明顯的

5、量子約束效應(yīng)。變溫PL譜揭示了非極性量子阱中的激子局域化現(xiàn)象，認(rèn)為這種現(xiàn)象與阱層中因界面起伏導(dǎo)致的“勢(shì)谷”有關(guān)。通過改變阱層寬度和壘層高度，發(fā)現(xiàn)隨阱寬減小或壘高增加，量子阱的量子約束效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，其發(fā)光峰位可在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。相對(duì)于c面多量子阱，a面多量子阱在阱寬增大時(shí)能有效避免量子限域斯達(dá)克效應(yīng)。壘層中Mg含量的增加則能有效提高量子阱中載流子的注入效率。
　　4.引入原位生長(zhǎng)的GaN緩沖層，結(jié)合激光分子束外延(L-MBE)和P