ZnO薄膜的结构和光学性质研究

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ZnO是一种具有纤锌矿结构的宽禁带半导体材料,在室温下其直接带隙宽度为3.3eV,激子束缚能为60meV,这比同是宽禁带材料的ZnSe(20mev)和GaN(21meV)都高出许多,而且比GaN,SiC和其它Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体薄膜的制备温度低。这些特点使ZnO具备了作为室温短波长发光材料的特征,研究其微观结构特征和发光特性具有重要意义。本文采用脉冲激光沉积(PLD)的方法制备得到高度c轴取向的ZnO薄膜,分别研究氧缺陷、AlN缓冲层及Mg掺杂对ZnO薄膜的结构和光学性质的影响,获得的主要结果如下: 1.采用PLD方法,室温下在O2气氛中作用金属Zn靶制备高度c轴取向的ZnO薄膜,通过变化沉积过程中的氧压来控制薄膜中的氧空位缺陷,研究ZnO薄膜中氧缺陷引起的晶格常数与光能隙变化间的规律。结果表明,室温条件下沉积的ZnO薄膜具有高度c轴取向。同时发现,随着沉积过程中氧压的增加,c轴晶格常数逐渐减小,并且吸收边和本征发射峰位蓝移,吸收边与本征发射峰位间存在10~20meV的能量位移。 2.通过PLD方法在Si(100)上生长了高度c轴取向的AlN薄膜,并以此为衬底,成功地实现了ZnO薄膜的准外延生长。比较研究了AlN作为过渡层对ZnO薄膜结构和光学性能的影响。结果表明,AlN作为过渡层可得到具有很强的c轴择优取向生长的ZnO薄膜,其(002)晶面衍射峰半高宽为0.216°,显示出非常好的结晶状况。通过原子力显微镜(AFM)观察进一步证明了ZnO/AlN薄膜的准外延生长特征。薄膜的光致发光谱表明,在UV发光波段,以AlN作过渡层的ZnO薄膜荧光强度要比直接在Si上制备的ZnO薄膜高将近一个数量级。 3.研究了Mg含量对MgxZn1-xO薄膜的能带宽度的影响,在400℃下10PaO2气氛中制备MgxZn1-xO薄膜,Mg含量在0到30mol%之间变化。通过X射线衍射(XPD)、紫外-可见分光光度计表征了含Mg的ZnO薄膜的结构和光学性能。结果表明,MMgxZn1-xO在紫光波段有很好的透光性能,薄膜为单相六角纤锌矿结构,且具有高度c轴取向。随着Mg含量的增加,所得MgxZn1-xO薄膜的c轴晶格常数减小,带隙宽度由3.23eV(x=0)线性增大到3.77eV(x=30mol%)。
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