氧化鋅薄膜光學各向異性和電光效應的研究.pdf

1、21世紀是信息技術(shù)時代，材料則是推動信息的原動力，半導體材料的研究和開發(fā)一直是人們研究的重點之一。ZnO半導體材料是繼GaN和SiC之后的又一種第三代半導體材料，其在晶格常數(shù)和禁帶寬度等方面與GaN很相近。ZnO和GaN相比具有很多優(yōu)點，例如，具有更高的熔點、更高的化學穩(wěn)定性、更強的抗輻射能力、更高的激子束縛能、更低的制作成本、更豐富的源材料、更多的匹配襯底材料以及更好的光電集成特性。因此，ZnO是一種用于短波長光電器件的理想材料，極具

2、開發(fā)和應用價值，開展氧化鋅薄膜光學各向異性和電光效應的研究將有利于人們深入了解ZnO基半導體材料的性質(zhì)，為ZnO基半導體材料在短波長光電器件中的應用奠定扎實的基礎(chǔ)。
　　 本文使用分子束外延生長方法(MBE)在藍寶石(0001)面上生長了本征ZnO薄膜；使用金屬有機物氣相外延方法(MOVPE)在藍寶石(0001)面上生長了n型GaN薄膜，并以n型GaN薄膜為基底，用MBE方法進一步生長ZnO、MgO、以及不同厚度的MgO/ZnO

3、超晶格薄膜樣品。接著，對樣品進行AFM、SEM、PL、以及透射譜表征。AFM結(jié)果表明各個樣品表面都較為平整，粗糙度都較小。PL譜和透射譜的測試結(jié)果表明n型GaN薄膜的外延質(zhì)量較好，在n型GaN薄膜上成功制備了ZnO和超晶格的層狀薄膜結(jié)構(gòu)。使用掃描電子顯微鏡(SEM)對n-GaN、MgO、以及ZnO樣品的厚度做了測試，測試結(jié)果與各樣品設(shè)計厚度基本符合，為電光系數(shù)的測量提供了一個相對準確的厚度參數(shù)初值。
　　 本文重點是使用橢圓偏振

4、光譜儀分別在60°、65°和70°三個不同的入射角對ZnO樣品進行測試，獲得了不同角度下的原始數(shù)據(jù)。結(jié)合樣品的實際情況，建立了由表面層、平整層、緩沖層、以及襯底層四層組成的樣品物理結(jié)構(gòu)模型。分析并比較了Sellmeier、Cauchy、Tanguy Extend等色散公式的優(yōu)缺點，并采用Tanguy Extended色散公式描述ZnO薄膜材料的全波段色散關(guān)系。首先將ZnO樣品看作各向同性的材料進行擬合，結(jié)果表明，對于不同的入射角，標準差

5、χ2值都小于0.10，擬合的各層厚度值與樣品實驗制備的厚度經(jīng)驗值相吻合。ZnO薄膜的禁帶寬度Eg均在3.30-3.40eV范圍內(nèi)，與實驗值接近；激子束縛能R值約為60.00meV，與他人的結(jié)果一致。說明本文所構(gòu)建的物理結(jié)構(gòu)模型合理，選用的Tanguy Extended色散公式能較好地描述ZnO半導體材料的光學性質(zhì)，尤其是帶邊附近的特性。
　　 分析不同角度的擬合結(jié)果可以看出，隨著入射角度的增大，帶隙Eg和激子束縛能R遞增；折射率

6、變小而消光系數(shù)增大。這些物理參量隨入射角度有規(guī)律變化，反映了ZnO薄膜具有較強的各向異性。因而，本文進一步將ZnO平整層看作具有各向異性的介質(zhì)材料對ZnO薄膜的70°橢偏譜進行擬合。擬合結(jié)果表明，將ZnO平整層看作各向異性介質(zhì)與各向同性介質(zhì)在厚度、帶隙與束縛能等方面沒有明顯差別，o光、e光的帶隙與束縛能分別處于將ZnO平整層看作各向同性介質(zhì)的帶隙與束縛能的兩端，也較為合理。
　　 本文同時給出了各向同性與各向異性ZnO薄膜材料的

7、折射率和消光系數(shù)的關(guān)系。從擬合結(jié)果可知，o光、e光的折射率和消光系數(shù)是有差別的，將ZnO平整層當作具有各向同性介質(zhì)的擬合結(jié)果介于o光、e光的結(jié)果之間。o光折射率比e光折射率大，帶隙之上波段的o光消光系數(shù)比e光消光系數(shù)小，且差距隨著能量的增大有逐漸增大的趨勢。表明本文的ZnO樣品確實具有各向異性，在帶隙之上的波段會表現(xiàn)得更明顯。對光學常數(shù)n和k要求嚴格的ZnO薄膜材料紫外波段器件，則應將ZnO薄膜材料看作各向異性介質(zhì)，這樣設(shè)計出來的器件性