藍(lán)寶石和硅基底氧化鋅薄膜的光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、氧化鋅(Zinc Oxide，ZnO)室溫下禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能約為60meV,是一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料。ZnO薄膜因具有性能穩(wěn)定，生長溫度低，并且對摻雜、溫度、壓力、表面形體結(jié)構(gòu)、載流子濃度等因素非常敏感等優(yōu)點，表現(xiàn)出優(yōu)良的透明導(dǎo)電性、光電性、壓電性等性質(zhì)，是制造高效紫外/藍(lán)色發(fā)光二極管、傳感器、光電檢測器和激光器件等方面的理想材料，因而成為半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的一個研究熱點之一。
　　本論文采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉

2、積(Metal Organic Chemical VaporDeposition，MOCVD)生長法，在MOCVD生長設(shè)備中同時放置藍(lán)寶石(sapphire，Al2O3)和硅(Si)襯底，使得不同基底的ZnO薄膜在相同生長條件下生長。生長在藍(lán)寶石和硅基底上的氧化鋅薄膜樣品分別表示為:ZnO/sap(薄厚為342nm)和ZnO/Si(薄厚為343nm)。通過光致發(fā)光光譜(Photoluminescence，PL)分析、時間分辨光譜(Tim

3、e-resolvedphotoluminescence spectrum,TRPL)分析、X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(X-Rayabsorption fine structure，XAFS)圖譜分析等表征手段，對比分析兩片樣品的光譜，研究藍(lán)寶石和硅基底對氧化鋅薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)的影響。
　　本論文的主要研究工作有:
　　(1)266nm、325nm變溫激發(fā)PL分析。在266nm激光激發(fā)的變溫PL光譜中，發(fā)現(xiàn)發(fā)光峰位在20K-50K

4、峰位出現(xiàn)了較小的藍(lán)移;計算出氧化鋅薄膜在相應(yīng)溫度下ZnO/sap的內(nèi)量子效率高于ZnO/Si。對325nm激發(fā)的變溫PL光譜的高斯擬合，確定發(fā)光峰并得出峰位隨溫度的變化情況;對比發(fā)現(xiàn)不同激發(fā)功率激發(fā)的ZnO/sap與ZnO/Si的積分光強接近，表明ZnO/sap發(fā)光質(zhì)量高于ZnO/Si;通過光致發(fā)光的熱猝滅公式擬合得到藍(lán)寶石和硅基底上的氧化鋅薄膜的激活能分別為207meV和205meV。
　　(2)266nm激光10K、300K下

5、變功率激發(fā)PL分析。分別對各光譜進(jìn)行積分計算積分光強，相同條件下ZnO/sap發(fā)光積分光強均比ZnO/Si大;計算出300K溫度下ZnO/Si和ZnO/sap的量子效率。
　　(3)266nm激光變功率激發(fā)TRPL分析。通過對熒光衰減曲線的單指數(shù)函數(shù)擬合得到氧化鋅薄膜的熒光壽命，ZnO/sap的熒光壽命略大于ZnO/Si。分別對不同基底樣品的積分光強進(jìn)行線性擬合得到，ZnO/sap的積分光強隨激發(fā)功率的增長率是ZnO/Si的2.6

6、4倍，發(fā)光效率較高。數(shù)據(jù)表明，在實驗激發(fā)功率變化范圍內(nèi)，ZnO/sap的非輻射復(fù)合概率低于ZnO/Si。
　　(4)Zn原子K邊的XAFS分析。從EXAFS的數(shù)據(jù)擬合分析中得到薄膜中Zn-O，Zn-Zn的鍵長，計算出晶格常數(shù)a和c，從而計算氧化鋅外延層所受應(yīng)力分別為ZnO/Si:εx=7.49×10-5，εz=2.52×10-5;ZnO/sap:εx=-6.4×10-6，εz=5.76×10-8。對理論模型和實測數(shù)據(jù)的XANES光