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Sb掺杂ZnO薄膜的制备及光学性能研究

朱绍平  
【摘要】: ZnO薄膜作为一种新型的宽禁带氧化物半导体材料,具有优异的光电特性。在发光器件、表面声波器件、气敏传感器,透明导电膜等方面具有广泛的应用。ZnO薄膜室温下的禁带宽度为3.37eV,激子束缚能60meV,远高于ZnSe、GaN等宽禁带半导体材料的激子束缚能。ZnO薄膜可以在低于500℃的温度下制得并且原材料易得、无毒、成本低。这些优点使ZnO成为一种具有美好应用前景的短波长发光材料。同时,随着对ZnO发光特性研究的不断深入,不同波长的蓝-绿光发射已有一些报道,这对于开发出蓝/绿光电器件具有重要意义。 本文采用射频反应磁控溅射法在玻璃衬底上制备ZnO/ZnO:Sb薄膜,靶材为金属Zn靶和Zn-Sb合金靶,溅射气体为高纯氧气和氩气。薄膜样品放在高纯氮气氛中退火,退火温度分别为450℃、550℃,退火时间1小时。借助台阶仪、X射线衍射仪(XRD)、双光束紫外-可见分光光度计、荧光分光光度计对ZnO/ZnO:Sb薄膜进行了膜厚、结构、光学性能的测试。 样品的X射线衍射谱表明:ZnO薄膜沿C轴择优取向生长,是ZnO单晶薄膜;ZnO:Sb薄膜主要沿ZnO的(002)方向生长,并且在低氧浓度和高氧浓度环境下沉积的薄膜晶面间距都变大,主要是由于Sb3+替位Zn2+后引起晶格膨胀导致的,没有检测到其它杂质相的生成。ZnO和ZnO:Sb薄膜的光学带隙均随氧浓度的增大而增大,退火后薄膜的光学带隙减少。同一条件下制备的ZnO和ZnO:Sb薄膜的光学带隙相比较,后者的带隙偏小,这是由于杂质能级引起的。K系列的ZnO薄膜和P系列的ZnO:Sb薄膜的室温发射谱上均出现了中心波长位于467nm左右的宽带蓝光峰,该宽带蓝光峰由四个不同波长的蓝光发射峰组成。S系列的ZnO:Sb薄膜的室温发射谱上出现了波长分别为423nm、486nm的较强蓝光发射峰,当激发波长为360nm时,波长为486nm的蓝光发射峰强度大大增强。我们对蓝光的发射机理作了分析:467nm的蓝光是电子由氧空位(VO)能级到间隙氧(Oi)能级之间跃迁产生的;423nm的蓝光来自电子由锌填隙(Zni)形成的浅施主能级到价带的跃迁; 486nm左右的蓝光来自Zni(锌填隙)形成的施主和锌空位(VZn)形成的受主之间的复合,还与Sb3+离子提供了相应的蓝光中心有关。这些蓝光峰的出现对于开发出单色蓝光发光器件有重要意义。


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