ZnMgO薄膜的制備及其特性的研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，具有標(biāo)準(zhǔn)的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。作為一種典型的發(fā)光材料，在藍綠光、紫外光等短波長發(fā)光源方面具有明顯的優(yōu)勢，可以用來制備多種發(fā)光器件，如平面光波導(dǎo)、透明電極、紫外光探測器、紫外發(fā)光器件等。但是，隨著科技的發(fā)展，人們對器件的應(yīng)用要求不斷提高，ZnO在應(yīng)用方面的許多不足也日益顯現(xiàn)，如激子束縛能不夠大、帶隙不夠?qū)挼?。因此，人們將目光放在了ZnO基摻雜材料上。MgO的禁帶寬度為7.8eV，遠大于ZnO的禁

2、帶寬度(3.37eV)，Mg2+具有和Zn2+相近的半徑(Mg2+:0.057nm;Zn2+:0.060nm)。Mg在ZnO晶格中的固溶度較小，根據(jù)摻雜量的不同所形成的ZnixMgx0(0≤x≤1)合金的禁帶寬度可以在3.37-7.8eV之間連續(xù)可調(diào)。如今，MgO摻雜ZnO的材料成為人們研究的一個熱點。另一方面，ZnMgO禁帶寬度的可調(diào)性為以“能帶工程”為基礎(chǔ)的新型半導(dǎo)體器件的開發(fā)開辟了新的研究空間。
　　 制備ZnMgO的方法

3、多種多樣，主要的制備技術(shù)有金屬有機化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)、脈沖激光沉積法(PLD)、分子束外延法(MBE)、電子束蒸發(fā)沉積法(EBED)，磁控濺射法(MS)、溶膠，凝膠法(SOL-GEL)等，每種制備方法都存在各自的優(yōu)點與不足。盡管ZnMg0薄膜的制備技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其結(jié)構(gòu)、帶隙及發(fā)光特性已進行了廣泛而深刻的研究，但是仍然有許多問題需要揭示，如有效控制Mg含量的變化、帶隙隨Mg含量的變化等問題。我們利用PLD和磁控濺射技術(shù)，通過

4、改變制備和退火過程中的條件，獲得了具有某些特殊性質(zhì)的ZnMgO薄膜，對薄膜的結(jié)構(gòu)、成份、帶隙及發(fā)光特性進行了研究。
　　 本論文的具體實驗內(nèi)容和得到的結(jié)果如下:
　　 (1)以純度為99.999％的MgO和ZnO粉末混合均勻(Mg∶Zn的摩爾比例為1∶9)，制備出直徑為2.5cm的ZnMgO靶材。然后以Si為襯底，在壓強為1.0Pa、N2氛圍、不同的襯底溫度下，采用PLD技術(shù)制備了ZnMgO薄膜。采用X射線衍射(XRD)

5、、掃描電子顯微鏡(SEM)、紅外吸收光譜(IR)、光致發(fā)光光譜(PL)對ZnMgO薄膜進行了表征。研究表明:400℃時獲得晶粒尺寸最大、結(jié)晶質(zhì)量最好的薄膜;計算得出ZnMgO的最大帶隙值為4.23eV;紫外發(fā)射峰從398nm藍移到了383nm處。
　　 (2)用PLD技術(shù)在300℃的溫度下，在Si襯底上制備出ZnMgO薄膜。然后，將制得的薄膜在退火爐中進行退火，退火溫度為400-800℃，退火氛圍為空氣，退火時間是15min。研

6、究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，退火溫度為500℃時，Mg2+較容易取代薄膜中的Zn2+，此時Mg濃度為26.2％，同時在該溫度下獲得最大的帶隙寬度4.29eV;觀察到較強的位于380nm的紫外發(fā)射峰，可見光發(fā)射較弱，并對產(chǎn)生機理進行了分析。
　　 (3)用Mg∶Zn=1∶4的比例制出直徑為7.5cm的靶材，采用磁控濺射技術(shù)在Si(lll)襯底上制備ZnMgO薄膜，所用的襯底溫度為200℃，功率為110W，然后將制備的薄膜分別在180、240、30

7、0、360、420℃的溫度下、在空氣中退火15min。對ZnMgO薄膜的結(jié)構(gòu)、表面及發(fā)光進行了表征。發(fā)現(xiàn)退火溫度在300℃以下時，對薄膜的結(jié)構(gòu)特性影響比較明顯;在退火溫度為240℃時呈現(xiàn)最強的紫外發(fā)射，從電子躍遷的角度分析了產(chǎn)生可見發(fā)射的機理。
　　 (4)采用磁控濺射技術(shù)在220℃的Si襯底上制備出ZnMgO薄膜，實驗中所用的功率為120W，氛圍為O2∶N2=1∶4，然后將制備的ZnMgO薄膜在300℃的空氣氛圍中退火20mi