脈沖激光沉積制備ZnO基量子阱及其光學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、作為一種寬帶隙Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導(dǎo)體，ZnO被認(rèn)為是光電子產(chǎn)業(yè)的一種有希望的候選材料，在藍(lán)光/紫外(UV)波段有著廣闊的應(yīng)用前景。因?yàn)榧ぷ咏Y(jié)合能高達(dá)60meV，ZnO的吸引力主要表現(xiàn)在激子室溫穩(wěn)定性方面，這對(duì)于半導(dǎo)體器件，如發(fā)光二極管(LEDs)、二極管激光器、紫外探測(cè)器等的應(yīng)用均具有十分重要的意義。例如，人們預(yù)測(cè)ZnO中激子復(fù)合產(chǎn)生的激射甚至可以出現(xiàn)在室溫以上。在設(shè)計(jì)和制作光電子器件的進(jìn)程中，需要制備高質(zhì)量的ZnO基異質(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)，

2、因?yàn)榱孔酉抻蛐?yīng)可以有效提高器件的發(fā)光效率。本博士論文以ZnO基多量子阱(MQWs)為中心，主要探討了ZnO基MQWs的制備、結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，涉及光致熒光(PL)、量子限域效應(yīng)以及熱穩(wěn)定性。主要研究成果總結(jié)如下:
　　(1)通過(guò)優(yōu)化ZnO和ZnMgO單層膜在c軸藍(lán)寶石基片上的生長(zhǎng)條件，利用脈沖激光沉積(PLD)方法成功地制備出了具有明確多層結(jié)構(gòu)的10個(gè)周期的ZnO/ZnMgO多量子阱。量子阱的阱層厚度在1.4到3.0nm之間變化。

3、在325nm的He-Cd激光激發(fā)下，所有的量子阱樣品在室溫下均發(fā)射出強(qiáng)的紫外熒光。量子限域效應(yīng)導(dǎo)致熒光光子的能量在3.38到3.52eV之間變化。此外，在ZnO/ZnMgO量子阱的PL光譜中，首次觀察到極度增強(qiáng)的多聲子Raman散射(RRS)現(xiàn)象。光譜分析表明，增強(qiáng)的RRS可以歸因于激發(fā)光和發(fā)射光與量子阱中ZnMgO壘層之間的能量共振，即入射共振和出射共振引起的多聲子Raman散射的增強(qiáng)。另一方面，量子阱和ZnMgO單層膜中多聲子Ram

4、an散射高度吻合，表明量子阱壘層與相同條件下生長(zhǎng)的ZnMgO單層膜具有相同的成分，這可以看作是ZnO/ZnMgO量子阱具有明確多層結(jié)構(gòu)的有力證據(jù)。利用ZnMgO單層膜的PL光譜及通過(guò)多聲子RRS確定的縱光學(xué)聲子的能量，估算出ZnMgO壘層中MgO的含量約為15％，進(jìn)而計(jì)算出ZnO和ZnMgO之間導(dǎo)帶和價(jià)帶的偏移量分別為338和38meV。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Kronig-Penney模型計(jì)算的ZnO/ZnMgO量子阱中的PL位移隨阱層厚度的

5、變化與～12K下的實(shí)驗(yàn)光譜結(jié)果一致。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZnO/ZnMgO量子阱在退火溫度低于600℃時(shí)是穩(wěn)定的;當(dāng)退火溫度提升至700℃以上時(shí)，量子阱中ZnO/ZnMgO多層結(jié)構(gòu)將被破壞。
　　(2)作為熒光殺手，Co2+離子摻雜到ZnO中將導(dǎo)致激子復(fù)合熒光的淬滅，但熒光淬滅的物理機(jī)制是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。在本工作中，首次利用ZnCoO/ZnMgO多量子阱樣品系統(tǒng)研究了Co2+離子摻雜引起的熒光淬滅現(xiàn)象。ZnCoO/ZnMgO多

6、量子阱利用脈沖激光沉積方法生長(zhǎng)在帶有～20nm ZnO過(guò)渡層的c面藍(lán)寶石基片上，并表現(xiàn)出與ZnO/ZnMgO多量子阱樣品相似的多聲子RRS增強(qiáng)現(xiàn)象，證明ZnCoO/ZnMgO多量子阱中多層膜結(jié)構(gòu)足夠好，以保證周期性量子阱的形成。與相同條件下生長(zhǎng)的ZnCoO單層膜相比，量子限域效應(yīng)導(dǎo)致ZnCoO/ZnMgO量子阱樣品中位于～1.80eV的Co2+離子熒光增強(qiáng)，即量子限域效應(yīng)增強(qiáng)了高度局域化的Co2+3d電子能級(jí)的熒光發(fā)射。但是，激子復(fù)合的

7、熒光淬滅現(xiàn)象在ZnCoO/ZnMgO量子阱樣品中仍然存在。因此，Co2+離子摻雜引起的激子熒光淬滅可以確認(rèn)為ZnO激子和局域化的Co2+3d電子態(tài)之間的能量轉(zhuǎn)移，進(jìn)而提出了熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)是導(dǎo)致激子熒光淬滅和位于～1.80eV的Co2+離子熒光增強(qiáng)的物理機(jī)制。
　　(3)在PLD方法制備的具有高外延度的ZnO薄膜中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)異常的具有寬譜特征的光致熒光峰，位于近帶邊(NBE)區(qū)域，PL峰值在～3.0eV附近。利用變溫

8、PL光譜、PL激發(fā)譜和時(shí)間分辨PL光譜，通過(guò)與退火樣品和ZnO單晶樣品的比較研究，這種異常的具有寬譜特征的NBE熒光發(fā)射不能簡(jiǎn)單地歸因于某種特定的缺陷。為此，我們提出了一個(gè)帶尾熒光模型。我們認(rèn)為，ZnO薄膜中各種缺陷、化學(xué)無(wú)序和晶格應(yīng)變可能會(huì)形成局域化的電子態(tài)，位于ZnO導(dǎo)帶以下，形成能帶帶尾。這種異常的NBE熒光發(fā)射正是源于激子在能帶帶尾熱弛豫過(guò)程中的輻射復(fù)合。這一物理機(jī)制被時(shí)間分辨光譜和變溫光譜的定量擬合結(jié)果所證實(shí)。此外，發(fā)展了一種