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ZnO和ZnO/MgO复合层薄膜的PLD法制备及其特性研究

王兆阳  
【摘要】:氧化锌(ZnO)是一种直接带隙宽禁带(3.37eV)Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有较大的激子束缚能(60 meV),理论上可以在室温下实现紫外光的受激发射。同时,ZnO还是优质的压电、气敏及光电材料。ZnO薄膜的制作方法很多,传统方法有:磁控溅射(magnetron sputtering)、化学气相沉积(CVD)、溶胶凝胶法(sol-gel)、喷雾热解法(spay pyrolysis)、热氧化法(thermal oxidation)、分子束外延(MBE)等,新的生长技术如脉冲激光沉积(PLD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、原子层外延生长法(ALE)、激光分子束外延(L-MBE)等也开始广泛应用。由于ZnO在结构、能带、电学和光学方面的诸多优点,加上ZnO薄膜的制作方法很多,可以适应不同的应用需求,ZnO在器件应用方面具有广阔的应用范围,潜力很大,前景极好。它可以被用来制作透明电极、压敏电阻、太阳能电池窗口、表面声波器件、气体传感器、发光二极管等。在短波区域,ZnO可用于制造紫外发光器件和紫外激光器,对于提高光记录密度及光信息的存取速度起着非常重要的作用。 脉冲激光沉积是近年来发展起来的先进的薄膜生长技术,能够制备出高质量的薄膜。它的工作原理是在高真空背景下用高能激光烧蚀ZnO靶材生成蒸发物淀积在加热衬底上生长晶体薄膜。有多种衬底可以生长ZnO薄膜,目前使用最多的是Al_2O_3衬底,已经以Al_2O_3为衬底制备出高质量的ZnO薄膜。而Si是最重要和使用最广泛的半导体材料,它的优点是价格便宜,已经拥有成熟的加工工艺。本论文中用脉冲激光沉积方法在Si(111)衬底上按照衬底温度、脉冲激光重复频率、环境氧压等不同条件生长了ZnO薄膜,并用X射线衍射(XRD)、荧光光谱(PL)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及台阶仪和电子探针等测试手段进行了表征。根据对ZnO薄膜的结构和发光特性的研究,找到了生长薄膜的优化条件,得到了高度c-轴(002)取向的结晶质量较高的ZnO薄膜。发现在温度为650℃左右、氧压50Pa左右、频率5Hz左右的范围内能生长出结晶质量较好的薄膜,并能得到半高宽较窄,强度较大的紫外发光峰。 同时研究了ZnO薄膜的发光机理,认为薄膜紫外峰源自自由激子复合发光,绿光峰的发光机制与锌位氧O_(zn)关系密切,氧空位是蓝光发射的重要原因。 PLD方法的一个优点是可以对生长的薄膜进行原位监测,反射式高能电子衍射仪(RHEED)是本试验中用来对ZnO薄膜生长进行原位监测的重要仪器。通过观察研究了ZnO薄膜的生长方式,对观测到的Si(111)衬底和Al_2O_3衬底的RHEED图像进行了结构分析,发现了ZnO薄膜的两种RHEED电子衍射点阵并对它们进行了标定。


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