ZnxMg1-xO三元復(fù)合薄膜光電特性研究.pdf

1、隨著電子信息領(lǐng)域卓越的進(jìn)步，作為發(fā)展基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料一直是人們關(guān)注研究的焦點(diǎn)。在多元復(fù)合半導(dǎo)體材料中，ZnxMg1-xO材料的禁帶寬度可以在3.3到7.7eV的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。同時(shí)ZnO中Zn2+的離子半徑為0.060nm，MgO中Mg2+的離子半徑為0.057nm，兩者差距非常小，因此在彼此離子替換時(shí)只會出現(xiàn)極小的晶格畸變。這些特性對于光電器件的研究具有廣闊前景與重要意義。本文使用溶膠凝膠法與水熱法對Mg含量在0.4～0.6范圍內(nèi)

2、的ZnxMg1-xO薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性、光學(xué)特性與電學(xué)特性的詳細(xì)研究，同時(shí)使用第一性原理對ZnxMg1-xO薄膜進(jìn)行理論計(jì)算，討論其半導(dǎo)體特性，同時(shí)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論提供理論基礎(chǔ)。主要內(nèi)容與結(jié)論如下:
　　首先，對溶膠凝膠法制備的Zn0.5Mg0.5O、Zn0.4Mg0.6O與Zn0.6Mg0.4O薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)與電學(xué)特性進(jìn)行測試與討論。由XRD分析可知，各組數(shù)據(jù)均出現(xiàn)ZnO與MgO衍射峰，且峰強(qiáng)都隨退火溫度升高而逐漸增強(qiáng)，結(jié)晶性變

3、好，缺陷變少，晶粒尺寸都增大。各組數(shù)據(jù)的薄膜透光率均較好，都具有良好透光性，并整體隨退火溫度升高緩慢下降。薄膜的禁帶寬度整體都隨著退火溫度的升高而增大。同時(shí)對Zn0.5Mg0.5O薄膜中退火溫度為400～600℃樣品進(jìn)行電學(xué)特性測試，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)薄膜具有明顯的雙極性的開關(guān)特性，但是并無循環(huán)特性。
　　同時(shí)為了更直觀的對比不同的薄膜成分對其結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性的影響，將Zn0.5Mg0.5O、Zn0.4Mg0.6O與Zn0.6Mg0.4O這三

4、組數(shù)據(jù)中的700與900℃的樣品進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。XRD分析可知，隨Zn含量的增大，ZnO衍射峰峰強(qiáng)不斷增強(qiáng)，而MgO峰強(qiáng)逐漸減弱。透光率隨Zn含量的增加而逐漸增大，但隨溫度升高透光率整體下降。而禁帶寬度的值隨著Zn含量的增加而逐漸減小，原因是MgO的禁帶寬度比ZnO大，因此Mg含量增加會使禁帶寬度變大。
　　其次，對水熱法制備的Zn0.5Mg0.5O薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)與電學(xué)特性進(jìn)行測試與討論。先將水熱溫度定為150℃，焙燒溫度定在50

5、0℃，并選取不同的pH值作為第一個(gè)變化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，通過XRD分析發(fā)現(xiàn)該組實(shí)驗(yàn)并未出現(xiàn)立方相MgO衍射峰，ZnO隨pH值升高結(jié)晶性逐漸變差。各pH值的透光率整體相差不大，稍有增大趨勢，禁帶寬度在pH=11時(shí)最大。測試其電學(xué)特性發(fā)現(xiàn)薄膜均具有雙極性開關(guān)特性，同時(shí)具有很高的開關(guān)比。然后將pH值定在10，焙燒溫度定在500℃，并選取水熱溫度從150℃到250℃作為該組的實(shí)驗(yàn)變量，通過XRD分析發(fā)現(xiàn)水熱溫度為150℃與175℃時(shí)，薄膜中仍未出現(xiàn)立

6、方相MgO的衍射峰，直到200℃時(shí)才出現(xiàn)微弱MgO衍射峰。150℃時(shí)透光率最高，其余相差不大。禁帶寬度由于MgO的出現(xiàn)隨溫度升高而不斷增大。測試其電學(xué)特性發(fā)現(xiàn)薄膜均具有雙極性開關(guān)特性與整流現(xiàn)象，說明具有較高的開關(guān)比。最后以pH=10，水熱溫度定在200℃，并選擇焙燒溫度從500℃到1000℃作為該組的實(shí)驗(yàn)變量，從XRD圖譜分析中可以看出隨著焙燒溫度的升高，MgO衍射峰的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，ZnO衍射峰變化不大，說明通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，終于成功制

7、備出立方相MgO。薄膜的透光率隨焙燒溫度的升高逐漸減小，而禁帶寬度卻明顯增大。測試其電學(xué)特性時(shí)，其開關(guān)比隨焙燒溫度升高而增大，證明薄膜具有較大的開關(guān)比，且誤差較小，說明器件具有穩(wěn)定性。
　　最后，對相關(guān)的超晶胞模型進(jìn)行第一性原理的計(jì)算與分析。通過計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ZnO、MgO、六方相Zn0.5Mg0.5O與立方相的Zn0.5Mg0.5O均表現(xiàn)出直接帶隙半導(dǎo)體特征，且?guī)兜拇笮∽兓现暗膶?shí)驗(yàn)結(jié)果。本章還對各超晶胞的總態(tài)密度與分態(tài)