常壓MOCVD生長ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能研究.pdf

1、ZnO是繼Ⅲ-Ⅴ族GaN之后制作短波長發(fā)光器件的候選材料。目前p-i-n結(jié)ZnO-LED已初步實現(xiàn)，但是離實際應(yīng)用還存在一定的距離。究其原因是晶體質(zhì)量還有待進(jìn)一步提高。影響晶體質(zhì)量的因素很多，如生長工藝、源材料的選擇等。不同的工藝和源材料會對ZnO薄膜的性能產(chǎn)生不同的影響。 用MOCVD技術(shù)生長ZnO膜仍處于研究初期，特別在源材料的選擇上仍在探索之中。日前還沒有定論究竟哪種含氧的源材料更適合作ZnO的生長氧源。此外膜內(nèi)應(yīng)變會誘導(dǎo)

2、壓電場，從而影響將來器件的壽命。所以對這些方面的研究很有必要。本論文主要內(nèi)容分為以下兩個部分： 第一部分：本文采用本實驗室自行研制的常壓MOCVD系統(tǒng)以c-Al2O3為襯底，DEZn為鋅源，首先以去離子水(H2O)和N2O為氧源，采用三步生長法生長了晶體質(zhì)量較高的ZnO薄膜為A樣品；另外完全以去離子水為氧源生長了高質(zhì)量的ZnO薄膜為B樣品。用X射線雙晶衍射和光致發(fā)光譜對這兩種樣品進(jìn)行表征，比較了它們的結(jié)構(gòu)性能和光學(xué)性能，得到了一

3、些有新意的研究結(jié)果： 1.用X射線雙晶衍射對ZnO薄膜進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，以N2O為氧源生長出了結(jié)晶質(zhì)量較高的ZnO薄膜，其傾斜對稱面(10-12)的Omega掃描半峰寬僅為350arcsec。 2.使用低溫光致發(fā)光譜表征了以N2O為氧源生長的ZnO膜和以H2O為氧源生長的ZnO膜的發(fā)光特性。結(jié)果表明這兩種氧源生長的ZnO薄膜的光學(xué)性質(zhì)明顯不同，以N2O為氧源生長的ZnO薄膜的低溫PL譜中沒有觀察到與氫有關(guān)的3.331

4、eV雙電子衛(wèi)星峰(TES)。說明以N2O為氧源生長的ZnO薄膜不易引進(jìn)氫原子，這將有利于將來的P型摻雜。同時在以N2O為氧源生長的ZnO薄膜的低溫光致發(fā)光譜中，我們觀察到了ZnO薄膜A自由激子的三級聲子伴線。 第二部分：本文采用本實驗室自行研制的常壓MOCVD系統(tǒng)，以c-Al2O3為襯底，DEZn為鋅源，去離子H2O為氧源，用不同的外延溫度生長了ZnO薄膜。用X射線雙晶衍射和PL譜對其進(jìn)行了表征，得到了一些有意義的結(jié)果：

5、 1.X射線雙晶衍射結(jié)果為所生長的樣品的(0002)面DCXRDω?fù)u擺曲線半峰寬均低于270arcsec，(10-12)面的ω?fù)u擺曲線半峰寬均小于350arcsec.說明這四個樣品不僅是高度c軸擇優(yōu)取向生長，而且屬M(fèi)osaic(馬賽克)結(jié)構(gòu)較好的單晶膜。結(jié)果還表明，隨著生長溫度升高，(10-12)面搖擺曲線半峰寬逐漸減小，對應(yīng)ZnO薄膜內(nèi)的線性位錯逐漸減少。 2.通過X射線雙晶衍射θ-2θ掃描，并對衍射角進(jìn)行校正，結(jié)果表明所生長

6、的ZnO樣品的晶格常數(shù)a都小于理想ZnO的a軸晶格常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值0.3250nm，晶格常數(shù)c都大于理想的ZnOc軸晶格常數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值0.5205nm。隨著ZnO薄膜生長溫度升高，c軸晶格常數(shù)逐漸增大，a軸晶格常數(shù)逐漸減小，對應(yīng)著ZnO膜內(nèi)受的壓應(yīng)變增大。 3.用325nmHe-Cd激光器作為激發(fā)源，測得了所生長的樣品的室溫PL譜。結(jié)果表明，帶邊發(fā)射紫外峰隨著生長溫度升高發(fā)生藍(lán)移，這與XRD表征樣品存在壓應(yīng)力結(jié)果相吻合。由此得到了室溫PL