ZnO基薄膜及多量子阱結(jié)構(gòu)的脈沖激光沉積制備與物性研究.pdf

1、ZnO是Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶（3.37 eV，室溫）半導(dǎo)體材料，其激子束縛能高達(dá)60 meV，因此，容易在室溫或更高溫度獲得紫外光發(fā)射，適于制作紫外及深紫外光電器件。本論文針對當(dāng)前ZnO的研究難點(diǎn)，利用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)，制備了高質(zhì)量ZnO和MgZnO薄膜，構(gòu)建了不同結(jié)構(gòu)、不同取向的MgZnO/MgO和ZnO/MgO應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)，圍繞它們的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)開展了系列研究工作，主要內(nèi)容如下:
　　系統(tǒng)地研究了襯底溫度、氧氣壓

2、強(qiáng)和激光功率密度對ZnO薄膜的結(jié)晶和光學(xué)質(zhì)量的影響，優(yōu)化了工藝條件。在此基礎(chǔ)上，采用等離子體輔助PLD技術(shù)，氮化處理Si(111)表面，之后生長高質(zhì)量ZnO薄膜。結(jié)果表明，氮化層的引入克服了在非極性半導(dǎo)體上生長極性半導(dǎo)體存在的界面電荷失衡問題，對生長初期降低ZnO/Si(111)界面缺陷密度，進(jìn)而獲得高質(zhì)量ZnO薄膜起到了關(guān)鍵性作用。基于X射線光電子能譜深度分析，提出了界面處Si-N-Zn-O的成鍵構(gòu)型，并借助自然鍵軌道理論模擬對其合理

3、性及穩(wěn)定性給予充分證明。
　　為拓寬ZnO在紫外及深紫外波段的光學(xué)帶隙，在全組分范圍內(nèi)制備了系列MgxZn1-xO合金薄膜，系統(tǒng)地研究了其結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)x＜40％時(shí)，MgxZn1-xO為纖鋅礦結(jié)構(gòu);x＞50％時(shí)，為巖鹽礦結(jié)構(gòu);40％＜x＜50％時(shí)，為二者并存的混相結(jié)構(gòu)。在全組分范圍內(nèi)，MgxZn1-xO的光學(xué)帶隙可以在紫外及深紫外波段連續(xù)可調(diào)。隨著Mg組分增大，其紫外光發(fā)射峰位從3.3 eV逐漸藍(lán)移到3.8 eV，當(dāng)Mg組分達(dá)

4、到40％時(shí)，紫外光發(fā)射峰位不再繼續(xù)藍(lán)移，這可能是合金無序造成的富Zn局域態(tài)所致。為了研究MgxZn1.xO薄膜在光探測方面的應(yīng)用，構(gòu)建了Au/Mg0.21Zn0.79O和Au/NiO/Mg0.21Zn0.79O結(jié)構(gòu)紫外光探測器。其光響應(yīng)特性表明，NiO層的加入提高了探測器的光響應(yīng)度和量子效率，這是熱載流子在具有高電場強(qiáng)度的NiO層內(nèi)加速時(shí)的雪崩過程所致。
　　在c-Al2O3和m-A12O3襯底上制備了MgZnO/MgO和ZnO/

5、MgO應(yīng)變多量子阱納米柱。納米柱垂直襯底表面生長，Z襯度截面掃描透射電鏡和組分線掃描分析表明，沿納米柱軸向形成了多量子阱結(jié)構(gòu)。高分辨電鏡表明，在具有較大晶格失配的MgZnO和MgO，ZnO和MgO層間均獲得了高質(zhì)量界面的外延生長。值得注意的是，隨著阱層厚度減薄，它們均經(jīng)歷了從六角相到立方相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程。X射線分析及計(jì)算結(jié)果表明，阱層材料內(nèi)巨大的壓應(yīng)力是誘導(dǎo)這一結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程的主要原因，其有利于將低Mg組分MgZnO合金甚至ZnO穩(wěn)定在立