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《西北大学》 2016年
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磁控溅射法制备ZnO/MgO量子阱及其光学性能研究

陈嫚  
【摘要】:ZnO是一种典型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙半导体,室温下禁带宽度约为3.37 eV,激子束缚能约为60 meV,远大于室温热能(约26 meV),能够实现室温或者更高温度下的激子受激发射。与典型的第三代半导体材料GaN相比ZnO的制备工艺简单,材料来源丰富,对环境无污染,且具备和GaN相近的晶体结构类型和光电性能,在光电器件领域具有广阔的应用前景。但制备性能稳定、电阻率低的P型ZnO材料是一个未解决的科学难题,严重阻碍了ZnO基光电器件的研究进展和应用。用其它材料和ZnO形成异质结、量子阱或超晶格来制备光电器件成为了研究的重点方向。MgO的禁带宽度约7.78 eV,在ZnO/MgO量子阱中能够对载流子起到很好的限制作用,同时MgO还有很好的化学稳定性、热稳定性等优点。本文用磁控溅射法在易于和半导体工艺集成的Si衬底上制备ZnO/MgO量子阱并研究其光学性能。论文主要包括三部分内容。第一部分采用单因素法对磁控溅射法制备ZnO薄膜过程中的四个实验因素:工作气压、溅射功率、衬底温度、氩氧流量比进行逐步优化,结合X射线衍射(XRD)、膜厚、扫描电子显微镜(SEM)’测试结果分析四个因素对制备ZnO薄膜的影响。结果表明,四个因素都会对ZnO薄膜的结晶质量产生很大影响,工作气压和溅射功率对薄膜的沉积速率影响更显著,而衬底温度对薄膜的择优取向性影响最大。第二部分采用单因素法对制备MgO薄膜的实验因素:氩氧流量比、衬底温度和工作气压进行优化。根据XRD、膜厚及SEM测试结果得出,三个实验因素都会对MgO薄膜的结晶质量和沉积速率产生影响,同时氩氧流量比还是决定MgO薄膜择优取向性的关键因素。第三部分根据优化后的制备ZnO薄膜、MgO薄膜的实验参数制备阱宽(L_w)分别为2、4、6、8 nm的单量子阱和周期为5的多量子阱,并对量子阱的室温发光性能进行研究。结合光致发光(PL)光谱的高斯拟合结果对PL谱进行分析。量子阱的激子发光峰主要受到量子限域效应和量子限制的斯塔克效应的影响发生蓝移或红移,而量子阱在可见光处的发光峰是由ZnO中的缺陷引起的,结合文献对发光机理进行了分析。原子力显微镜(AFM)测试结果显示L_w为6 nm的ZnO/MgO单量子阱的表面均方根粗糙度(Rms)为1.462nm,L_w为4nm的ZnO/MgO多量子阱的Rms为1.822nm。
【关键词】:ZnO/MgO量子阱 磁控溅射法 光学性能 单因素法
【学位授予单位】:西北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O471.1
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-8
  • 第一章 绪论8-18
  • 1.1 引言8-9
  • 1.2 ZnO的晶体结构及主要应用9-12
  • 1.2.1 ZnO的基本结构和性质9-11
  • 1.2.2 ZnO的主要应用11-12
  • 1.3 MgO的晶体结构及主要应用12-13
  • 1.3.1 MgO的基本晶体结构12
  • 1.3.2 MgO的主要用途12-13
  • 1.4 ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO量子阱的研究现状13-15
  • 1.5 本文主要工作与研究内容15-18
  • 第二章实验方案与样品制备及表征方法18-28
  • 2.1 量子阱的制备方法18-21
  • 2.1.1 脉冲激光沉积法(PLD)18-19
  • 2.1.2 分子束外延法(MBE)19
  • 2.1.3 金属有机化学气相沉积法(MOCVD)19-20
  • 2.1.4 磁控溅射法(MS)20-21
  • 2.2 制备ZnO/MgO量子阱的设备及流程21-24
  • 2.2.1 实验设备21-22
  • 2.2.2 实验工艺流程22-24
  • 2.3 样品的表征方法24-27
  • 2.3.1 X射线衍射仪(XRD)24-25
  • 2.3.2 光致发光(PL)光谱仪25
  • 2.3.3 膜厚分析仪25-26
  • 2.3.4 原子力显微镜(AFM)26-27
  • 2.3.5 扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)27
  • 2.4 本章小结27-28
  • 第三章 ZnO薄膜的制备及工艺优化28-48
  • 3.1 工作气压对制备ZnO薄膜的影响28-32
  • 3.2 射频溅射功率对制备ZnO薄膜的影响32-36
  • 3.3 衬底温度对制备ZnO薄膜的影响36-39
  • 3.4 氩氧流量比对制备ZnO薄膜的影响39-46
  • 3.5 本章小结46-48
  • 第四章 MgO薄膜的制备及工艺优化48-62
  • 4.1 氩氧流量比对制备MgO薄膜的影响48-54
  • 4.2 衬底温度对制备MgO薄膜的影响54-56
  • 4.3 工作气压对制备MgO薄膜的影响56-58
  • 4.4 工作气体中掺入N_2对制备MgO薄膜的影响58-61
  • 4.5 本章小结61-62
  • 第五章 ZnO/MgO单量子阱的制备与表征62-70
  • 5.1 ZnO/MgO单量子阱的XRD测试63-64
  • 5.2 ZnO/MgO单量子阱的SEM及EDS测试64-66
  • 5.3 ZnO/MgO单量子阱典型样品的AFM测试66-67
  • 5.4 ZnO/MgO单量子阱的室温PL谱测试67-69
  • 5.5 本章小结69-70
  • 第六章 ZnO/MgO多量子阱的制备与表征70-78
  • 6.1 ZnO/MgO多量子阱的XRD测试71-72
  • 6.2 ZnO/MgO多量子阱的SEM测试72-73
  • 6.3 ZnO/MgO多量子阱典型样品的AFM测试73-74
  • 6.4 ZnO/MgO多量子阱的室温PL谱测试74-76
  • 6.5 本章小结76-78
  • 第七章 总结与展望78-80
  • 7.1 本文工作总结78-79
  • 7.2 今后工作展望79-80
  • 参考文献80-90
  • 攻读硕士学位期间取得的科研成果90-92
  • 致谢92

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