MBE外延ZnO薄膜晶體質(zhì)量的提升及其能帶工程的研究.pdf

1、我們利用分子束外延(MBE)在Si(100)襯底上生長ZnO薄膜，為消除ZnO與Si襯底材料之間由于熱脹系數(shù)不同所造成的薄膜裂痕，生長的溫度設(shè)定為室溫。由于Si(100)襯底表面與ZnO材料之間存在對稱結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、電荷平衡方面的不匹配，導(dǎo)致外延的ZnO薄膜難以得到較高的晶體質(zhì)量。為了解決和改善這方面的問題，我們在外延ZnO薄膜之前對Si襯底的表面分別進(jìn)行了Mg沉積、Zn沉積、氧化以及氮化四種預(yù)處理。為進(jìn)一步探究各種預(yù)處理對改善ZnO

2、晶體質(zhì)量的影響，我們分別利用X射線衍射(XRD)、光致發(fā)光譜(PL)以及原子力顯微鏡(AFM)對ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性、表面形貌進(jìn)行測試，并對測試結(jié)果做出系統(tǒng)比較。通過與無預(yù)處理樣品的比較和分析，發(fā)現(xiàn)Mg沉積預(yù)處理給ZnO薄膜引入額外的壓應(yīng)力，而其他三種預(yù)處理都對無預(yù)處理樣品存在的張應(yīng)力有緩解作用，其中氮化預(yù)處理的效果最為明顯。由XRD相應(yīng)衍射峰的強(qiáng)度對比也發(fā)現(xiàn)，氮化預(yù)處理明顯提高了ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在PL測試中，經(jīng)過M

3、g沉積，Zn沉積和氧化預(yù)處理的樣品幾乎沒有帶邊發(fā)光峰出現(xiàn)，表明了這三種預(yù)處理降低了晶體質(zhì)量，引入了過多的非輻射復(fù)合缺陷中心。對于經(jīng)過氮化預(yù)處理的樣品出現(xiàn)比無預(yù)處理樣品更加強(qiáng)的發(fā)光峰并且有明顯的峰位藍(lán)移，這都表明了晶體質(zhì)量的顯著提高。在表面形貌方面，經(jīng)過氮化預(yù)處理的樣品表面晶粒大小和形狀更加均勻，并且表面粗糙度(RMS)也有明顯的降低。而其他預(yù)處理在對面形貌的影響不明顯。從各個方面綜合分析，氮化預(yù)處理對于Si襯底外延ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)特性、

4、光學(xué)性質(zhì)、表面形貌方面都表現(xiàn)出顯著的改善作用。
　　對于不同預(yù)處理對ZnO薄膜性質(zhì)所產(chǎn)生各異影響，我們從界面組分結(jié)構(gòu)和界面電荷平衡兩個方面進(jìn)行了闡釋。我們利用俄歇電子能譜AES深度分析對ZnO/Si生長界面的組分構(gòu)成進(jìn)行測量。觀察發(fā)現(xiàn)，由于生長初期氧原子的擴(kuò)散成鍵使各個樣品的襯底界面處均不同程度的形成非晶SiO2層。然而對比發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)不同預(yù)處理的樣品所形成的界面層厚度有明顯的不同，其中氮化預(yù)處理對于抑制Si襯底表面氧化，減小界面非

5、晶SiO2的厚度的作用最為顯著。這為后續(xù)ZnO的外延提供了更好的界面，從而解釋了氮化預(yù)處理顯著改善ZnO薄膜晶體質(zhì)量的現(xiàn)象。從襯底界面處的鍵合模型分析我們同樣可以得出，氮化預(yù)處理很好的銜接了Si襯底到ZnO的外延生長使界面處于電荷平衡狀態(tài)，進(jìn)一步減少了界面不匹配對ZnO的生長所造成的不利影響。隨后我們進(jìn)一步探究了不同氮化預(yù)處理時間對ZnO薄膜質(zhì)量的影響。通過對樣品進(jìn)行XRD、PL、AFM測試，我們對不同預(yù)處理時間對ZnO薄膜晶體結(jié)構(gòu)、光

6、學(xué)性質(zhì)和表面形貌的改善效果進(jìn)行了分析比較。探究發(fā)現(xiàn)，ZnO薄膜各項性質(zhì)表現(xiàn)并沒有隨預(yù)處理時間增長而愈良好，最終得出的最優(yōu)化氮化預(yù)處理時間為10分鐘。
　　另外，我們也對MgZnO合金的相分離現(xiàn)象進(jìn)行了初步探究。為了得到高M(jìn)g組分的單晶相的纖鋅礦MgZnO合金，我們利用MBE在c面Al2O3襯底上制備了短周期生長的ZnO/MgO超晶格薄膜，由于原子的自發(fā)擴(kuò)散和各層電子能帶結(jié)構(gòu)的相互影響使其成為等效MgZnO合金薄膜。為了達(dá)到控制調(diào)節(jié)

7、合金等效能帶寬度的目的，對于不同的樣品我們對ZnO層和MgO層的生長時間比進(jìn)行了調(diào)控。首先利用XRD測試樣品的晶相分離情況。通過對測試結(jié)果的對比分析，發(fā)現(xiàn)間隔生長并沒有因為ZnO層的牽制作用使得MgO層能在極短的生長周期內(nèi)保持纖鋅礦的結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致MgZnO合金薄膜依然存在相分離現(xiàn)象。其中ZnO層和MgO層的生長晶向分別為纖鋅礦[0002]和巖鹽礦[111]，因此我們可以得知MgO層的生長繼承了襯底和ZnO牽制層的六角對稱性，然而其結(jié)構(gòu)