ZnO-Al薄膜的微結(jié)構(gòu)表征和光學(xué)特性研究.pdf

1、ZnO是一種自激活半導(dǎo)體材料,具有六角纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu),室溫下直接帶隙寬度為3.2~3.4 eV,激子束縛能高達(dá)60 meV。ZnO無毒,原料廉價易得,且具有較高的化學(xué)、機械穩(wěn)定性及優(yōu)異的光電學(xué)特性,有望在光發(fā)射二極管(LED)、透明電極、藍(lán)/紫光發(fā)射器件、太陽能電池、表面超聲波設(shè)備等方面產(chǎn)生廣泛的應(yīng)用,因此研究ZnO薄膜的發(fā)光特性具有十分重要的意義。然而,未摻雜的ZnO通常包含著各種本征缺陷,例如Zn空位、填隙Zn、O空位、填隙O和反位

2、O,這些本征缺陷很大程度上會影響ZnO薄膜的發(fā)光特性。通過引入雜質(zhì)可改變ZnO薄膜的缺陷濃度,大量的文獻(xiàn)已經(jīng)報道了Al摻雜ZnO可改變ZnO薄膜的電學(xué)特性和光學(xué)特性。但是,對Al摻雜ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和可見光發(fā)光特性還需做進一步的探討。
　　本論文采用射頻磁控濺射方法在玻璃和Si襯底上沉積了Al摻雜ZnO薄膜,并且研究了 Al的摻雜濃度、襯底以及退火處理對 ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的影響,從而為ZnO薄膜的應(yīng)用提供一些實驗數(shù)據(jù)和理

3、論基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下:
　　1、Al摻雜濃度對玻璃襯底ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的影響:結(jié)果表明,適量的Al摻雜可提高ZnO:Al薄膜的結(jié)晶質(zhì)量,三個發(fā)光峰出現(xiàn)在PL譜中,一個是位于437 nm的強的藍(lán)光發(fā)射峰,另兩個分別位于492 nm和524 nm的較弱綠光峰,三個發(fā)光峰的發(fā)光機制被討論;另外,ZnO薄膜的光學(xué)帶隙值隨Al摻雜濃度的增加先向短波方向移動然后向長波方向移動,基于量子限域模型計算所得的光學(xué)帶隙值與實驗值完全一致。

4、
　　2、不同襯底和退火溫度對Al摻雜ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的影響:XRD測試結(jié)果表明沉積在Si襯底上的ZnO薄膜半峰全寬明顯降低并且晶粒尺寸增加;而沉積在玻璃襯底上的ZnO薄膜可觀察到一個位于449 nm強的藍(lán)光峰。最后,我們討論了退火對Si襯底ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的影響。當(dāng)樣品在真空中退火后, ZnO薄膜的晶格質(zhì)量明顯提高,位于449 nm的藍(lán)光峰強度也明顯增加,這表明ZnO薄膜的可見區(qū)發(fā)光特性更多地依賴于薄膜結(jié)晶質(zhì)量而

5、不是薄膜化學(xué)計量比。
　　3、Si襯底上Al摻雜ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的研究:XRD測試結(jié)果表明Al摻雜量為0.75 wt.％的ZnO:Al薄膜有著最好的晶格質(zhì)量,然后將此薄膜在真空600℃進行不同時間的退火,XRD測試結(jié)果表明退火0.5 h后薄膜的晶格質(zhì)量提高。從不同Al摻雜量的ZnO薄膜PL譜中可觀察到四個主要的發(fā)光峰,它們分別位于390,445,490和530 nm,當(dāng)Al摻雜濃度增加到1.14 wt.%時,位于445