Mg-,x-Zn-,1-x-O三元化合物的制備及光電性能研究.pdf

1、MgxZn1-xO三元化合物是一種II-VI族ZnO基半導體材料，室溫下ZnO的禁帶寬度約為3.3eV，MgO的禁帶寬度約為7.8eV，MgxZn1-xO薄膜的禁帶寬度理論上可以從3.3eV到7.8eV連續(xù)可調，MgxZn1-xO三元化合物禁帶寬度的可調性，使MgxZn1-xO三元化合物在紫外、可見光發(fā)射器件、日盲區(qū)紫外探測器等方面具有廣闊的應用前景，成為當前的研究熱點。 本論文分別采用溶膠-凝膠旋涂法和射頻磁控濺射法在藍寶石、

2、Si、石英玻璃和陶瓷等襯底上制備了不同組分的MgxZn1-xO薄膜，通過光電子能量分散譜儀(EDS)、X射線衍射儀(XRD)和掃描電鏡(SEM)表征了薄膜的組分、結構和表面形貌。通過紫外可見分光光度儀和紫外可見熒光光譜儀研究了薄膜的吸收、透射和發(fā)光性能。討論了制備工藝對薄膜結構和光學性能的影響。采用光刻與濕化學刻蝕法在Si(111)/MgxZn1-xO上制備了MSM結構的日盲區(qū)紫外探測器，采用霍爾測試儀和光譜響應測試系統(tǒng)研究了探測器的I

3、-V特性和光譜響應特性。采用溶膠凝膠法制備了MgxZn1-xO納米粉體，并利用該粉體制備了MgxZn1-xO陶瓷，采用XRD、分光光度儀和熒光光譜儀表征了納米粉體和陶瓷的結構、發(fā)光性能和吸收、透過特性。取得以下主要研究成果： 1.溶膠-凝膠旋涂法制備薄膜研究表明，在偏酸性條件下(pH值在6.5-7.0之間)，溶液溫度為80℃，升溫速率為2-4℃/min，穩(wěn)定劑0.3ml/g的條件下獲得質量較好的溶膠。在120℃下干燥，在300℃

4、下熱處理30min，在600℃下灼燒1h獲得較佳薄膜樣品。 2.溶膠-凝膠旋涂法制備的薄膜組分與設計的組成一致。薄膜的結構隨x值變化，當x≤0.33時，MgxZn1-xO薄膜為六方ZnO結構，當x≥0.5時，MgxZn1-xO薄膜為立方MgO結構，當0.33

5、分別位于384nm、443nm和536nm附近的三個發(fā)射峰組成。石英玻璃襯底有利于紫外光發(fā)射，Si襯底有利于藍光發(fā)射，薄膜的發(fā)光由缺陷能級引起。提高灼燒溫度有利于提高薄膜樣品的藍光發(fā)射，退火使薄膜的紫外發(fā)光峰發(fā)生藍移，藍光發(fā)光峰發(fā)生紅移。不同組分和不同襯底MgxZn1-xO薄膜都具有紫外激發(fā)特性，Si襯底上激發(fā)光譜較寬。灼燒溫度和退火對薄膜的激發(fā)光譜基本沒有影響。Mg含量增加，薄膜的吸收邊藍移，帶隙增大。退火也可以增大薄膜禁帶寬度。

6、 4.射頻磁控濺射法制備薄膜研究表明，當濺射功率為300W，氣體流量為20sccm，靶與擋板間距為10mm，靶與襯底間距為80mm，襯底溫度為室溫，濺射時間為50min時獲得高質量的薄膜樣品。薄膜粒徑分布均勻，隨著濺射時間的增加，顆粒長大。藍寶石襯底上薄膜的平均粒徑最小約為10nm，Si襯底上薄膜的平均粒徑最大約為40nm，薄膜為納米膜。 5.射頻磁控濺射法制備的薄膜組分與靶材組分不一致，薄膜中Mg含量大于靶材中Mg含量。S

7、i襯底上薄膜的組分為Mg0.59Zn0.41O，藍寶石襯底上薄膜的組分為Mg0.47Zn0.53O，石英玻璃襯底上薄膜的組分為Mg0.44Zn0.56O，載玻片襯底上薄膜的組分為Mg0.52Zn0.48O。不同襯底上MgxZn1-xO薄膜的結構均為ZnO的六方纖鋅礦結構，薄膜具有c軸取向性。 6.射頻磁控濺射法制備的MgxZn1-xO薄膜具有明顯的吸收邊，藍寶石襯底上薄膜的吸收邊位于292nm，石英玻璃和Si襯底上薄膜的吸收邊位

8、于298nm，載玻片襯底上薄膜的吸收邊位于312nm，藍寶石襯底和石英玻璃襯底MgxZn1-xO薄膜的平均透過率達80％。薄膜的吸收邊和發(fā)光峰隨著濺射時間的增加發(fā)生藍移。 7.紫外探測器的響應截止邊位于295nm，對應的光譜響應度Rx為5.85A/W，外量子效率為2460.6％，NEP為1.681×10-12W，D為5.95×1011 W-1，D*為1.78×1011 cm·HzW-1。日盲區(qū)響應峰值位于260nm，對應的光譜響

9、應度Rλ為7.17A/W，外量子效率可達3421.8％，NEP為1.365×10-12W，D為7.33×1011W-1，D*為2.2×1011 cm·Hz·W-1。 8. MgxZn1-xO粉體存在ZnO的六方纖鋅礦和MgO的面心立方巖鹽兩種結構，當x小于0.20時，粉體為ZnO六方結構；當x大于0.80時，粉體為MgO立方面心結構，粉體隨著灼燒溫度的升高晶粒逐漸完善。采用粉體制備的MgxZn1-xO陶瓷的透過率隨x的變化而改變