新型寬禁帶半導(dǎo)體Mg-,x-Zn-,1-x-O薄膜光學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、ZnO具有許多優(yōu)異的特性，已作為一種壓電、壓敏和氣敏材料較早便得以研究，并被廣泛應(yīng)用于變阻器、轉(zhuǎn)換器、透明導(dǎo)電電極、傳感器和催化劑等方面。另外，ZnO作為一種新型的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，具有激予束縛能大、室溫下泵浦閾值很低等優(yōu)良的性能，可應(yīng)用于工作在紫外光到藍(lán)光范圍的發(fā)光二極管(LEDs)、激光二極管(LDs)以及紫外光探測器等器件，這是目前ZnO薄膜研究的主要方向。 要獲得高性能發(fā)光器件，關(guān)鍵技術(shù)是建立異質(zhì)結(jié)構(gòu)，將

2、光電器件中的光子和電子進(jìn)一步限制在阱層內(nèi)，實(shí)現(xiàn)低閾值的受激發(fā)射。因此人們選擇了晶格常數(shù)與ZnO相近，帶隙更寬的MgZnO合金作為壘層制成了ZnO/MgZnO多量子阱，從而拓展了ZnO的應(yīng)用范圍。Mg<,x>Znl<,1-x>三元合金是由ZnO與MgO按一定組分固溶而成，MgO組分較低時(shí)Mg<,x>Zn<,1-x>O合金的晶格結(jié)構(gòu)為類ZnO的六方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)與ZnO接近；MgO組分較高時(shí)為類MgO的立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)與MgO接近。與Ⅲ-

3、氮族的GaN(3.4eV)與AlN(6.2eV)合金可增大禁帶寬度相類似，Mg<,x>Zn<,1-x>O合金的禁帶寬度可以隨著Mg含量的不同從3.3eV變化到7.9eV，從而實(shí)現(xiàn)帶隙的連續(xù)可調(diào)。因此，Mg<,x>Zn<,1-x>O合金可作為ZnO/Mg<,x>Zn<,1-x>O半導(dǎo)體量子阱及超晶格等結(jié)構(gòu)的勢壘層，與ZnO一起組成異質(zhì)結(jié)、量子阱和超晶格，這不但能極大地提高ZnO的發(fā)光效率，而且能對(duì)材料的發(fā)光特性進(jìn)行調(diào)制。同時(shí)，Mg<,x>

4、Zn<,1-x>O合金可以直接作為紫外發(fā)光材料，在制備紫外波段的光電器件如短波發(fā)光二極管、太陽能電池的窗口等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 本論文采用射頻磁控濺射法直接在硅襯底上制備了ZnO和Mg<,x>Zn<,1-x>O合金薄膜，為了擴(kuò)展材料的應(yīng)用范圍并為今后研究作參考，我們測量了薄膜樣品的結(jié)構(gòu)、化學(xué)計(jì)量比等參數(shù)，并對(duì)其光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。 通過了解材料的發(fā)光機(jī)理和光學(xué)常數(shù)，有利于制備性能更好的ZnO和Mg<,x>Zn<,

5、1-x>O薄膜，這對(duì)了解新型寬禁帶導(dǎo)體在光電應(yīng)用的可行性以及應(yīng)用器件(LED、LD)的設(shè)計(jì)，都具有重大的實(shí)際意義。本論文的主要內(nèi)容如下： (1)簡要介紹ZnO、MgO、Mg<,x>Zn<,1-x>O和Si襯底的材料背景，并詳細(xì)敘述射頻磁控濺射的原理、系統(tǒng)和薄膜樣品的制備過程。 (2)我們首先利用掃描電鏡(SEM)對(duì)薄膜的化學(xué)計(jì)量比做了測定。結(jié)果表明，薄膜中Mg的含量分別為0、25和37 mol．％，是濺射靶材：MgO靶與

6、ZnO靶相對(duì)含量的1.6倍。然后，通過X射線衍射(XRD)和原子力顯微鏡(AFM)對(duì)薄膜進(jìn)行晶格結(jié)構(gòu)和表面形貌分析。實(shí)驗(yàn)中觀察到薄膜屬于多晶薄膜，均為六角晶系，具有高度的c軸擇優(yōu)取向，晶粒均沿c軸方向呈柱狀生長但并不嚴(yán)格垂直于襯底平面，晶粒均呈現(xiàn)直徑大小不一，且有一定分散性的特點(diǎn)。另外，還計(jì)算了薄膜的c軸晶格常數(shù)和平均晶粒尺寸。 (3)采用了棱鏡耦合法(PC)測得了薄膜的厚度，并且結(jié)合橢圓偏振光譜法(SE)得到薄膜的折射

7、率和色散關(guān)系，通過這兩種方法的結(jié)合，我們精確計(jì)算了薄膜的厚度、折射率和色散關(guān)系。本論文報(bào)道了生長在硅襯底上的纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnO(330～850 nm)、Mg<,x>Zn<,1-x>略薄膜在超紫外一可見光波段(300nm～850nm)的橢偏光譜，通過擬合首次得到了材料的折射率在370～800nm范圍內(nèi)的色散關(guān)系。結(jié)果表明，在同一波長下薄膜的折射率隨著Mg含量的增加而降低；且采用一級(jí)Sellmeier關(guān)系在大于其各自的峰值波長的范圍內(nèi)得到很

8、好的擬合。另外，根據(jù)薄膜折射率曲線的峰值波長的位置變化，可推知薄膜的裝帶寬度隨著Mg含量的增加而逐漸增大。 (4)論文中選用氙燈激發(fā)，在不同激發(fā)波長作用下，觀察到了室溫下的ZnO和MgZn<,1-x>O薄膜的光致發(fā)光(PL)譜在紫外、藍(lán)光及綠光范圍內(nèi)的發(fā)光情況。其中，每個(gè)PL峰對(duì)應(yīng)于一個(gè)特定的激發(fā)波長。藍(lán)色發(fā)光峰的強(qiáng)度較強(qiáng)，紫外發(fā)光峰的強(qiáng)度較弱。同時(shí)，在同波長的激發(fā)光的作用下，隨著Mg含量的增大，薄膜的紫外發(fā)射峰上出現(xiàn)了微