MBE外延ZnO薄膜晶體質(zhì)量的提升及其能帶工程的研究.pdf

1、我們利用分子束外延(MBE)在Si(100)襯底上生長ZnO薄膜，為消除ZnO與Si襯底材料之間由于熱脹系數(shù)不同所造成的薄膜裂痕，生長的溫度設(shè)定為室溫。由于Si(100)襯底表面與ZnO材料之間存在對稱結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、電荷平衡方面的不匹配，導致外延的ZnO薄膜難以得到較高的晶體質(zhì)量。為了解決和改善這方面的問題，我們在外延ZnO薄膜之前對Si襯底的表面分別進行了Mg沉積、Zn沉積、氧化以及氮化四種預處理。為進一步探究各種預處理對改善ZnO

2、晶體質(zhì)量的影響，我們分別利用X射線衍射(XRD)、光致發(fā)光譜(PL)以及原子力顯微鏡(AFM)對ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、光學特性、表面形貌進行測試，并對測試結(jié)果做出系統(tǒng)比較。通過與無預處理樣品的比較和分析，發(fā)現(xiàn)Mg沉積預處理給ZnO薄膜引入額外的壓應力，而其他三種預處理都對無預處理樣品存在的張應力有緩解作用，其中氮化預處理的效果最為明顯。由XRD相應衍射峰的強度對比也發(fā)現(xiàn)，氮化預處理明顯提高了ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在PL測試中，經(jīng)過M

3、g沉積，Zn沉積和氧化預處理的樣品幾乎沒有帶邊發(fā)光峰出現(xiàn)，表明了這三種預處理降低了晶體質(zhì)量，引入了過多的非輻射復合缺陷中心。對于經(jīng)過氮化預處理的樣品出現(xiàn)比無預處理樣品更加強的發(fā)光峰并且有明顯的峰位藍移，這都表明了晶體質(zhì)量的顯著提高。在表面形貌方面，經(jīng)過氮化預處理的樣品表面晶粒大小和形狀更加均勻，并且表面粗糙度(RMS)也有明顯的降低。而其他預處理在對面形貌的影響不明顯。從各個方面綜合分析，氮化預處理對于Si襯底外延ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)特性、

4、光學性質(zhì)、表面形貌方面都表現(xiàn)出顯著的改善作用。
　　對于不同預處理對ZnO薄膜性質(zhì)所產(chǎn)生各異影響，我們從界面組分結(jié)構(gòu)和界面電荷平衡兩個方面進行了闡釋。我們利用俄歇電子能譜AES深度分析對ZnO/Si生長界面的組分構(gòu)成進行測量。觀察發(fā)現(xiàn)，由于生長初期氧原子的擴散成鍵使各個樣品的襯底界面處均不同程度的形成非晶SiO2層。然而對比發(fā)現(xiàn)，對應不同預處理的樣品所形成的界面層厚度有明顯的不同，其中氮化預處理對于抑制Si襯底表面氧化，減小界面非

5、晶SiO2的厚度的作用最為顯著。這為后續(xù)ZnO的外延提供了更好的界面，從而解釋了氮化預處理顯著改善ZnO薄膜晶體質(zhì)量的現(xiàn)象。從襯底界面處的鍵合模型分析我們同樣可以得出，氮化預處理很好的銜接了Si襯底到ZnO的外延生長使界面處于電荷平衡狀態(tài)，進一步減少了界面不匹配對ZnO的生長所造成的不利影響。隨后我們進一步探究了不同氮化預處理時間對ZnO薄膜質(zhì)量的影響。通過對樣品進行XRD、PL、AFM測試，我們對不同預處理時間對ZnO薄膜晶體結(jié)構(gòu)、光

6、學性質(zhì)和表面形貌的改善效果進行了分析比較。探究發(fā)現(xiàn)，ZnO薄膜各項性質(zhì)表現(xiàn)并沒有隨預處理時間增長而愈良好，最終得出的最優(yōu)化氮化預處理時間為10分鐘。
　　另外，我們也對MgZnO合金的相分離現(xiàn)象進行了初步探究。為了得到高Mg組分的單晶相的纖鋅礦MgZnO合金，我們利用MBE在c面Al2O3襯底上制備了短周期生長的ZnO/MgO超晶格薄膜，由于原子的自發(fā)擴散和各層電子能帶結(jié)構(gòu)的相互影響使其成為等效MgZnO合金薄膜。為了達到控制調(diào)節(jié)

7、合金等效能帶寬度的目的，對于不同的樣品我們對ZnO層和MgO層的生長時間比進行了調(diào)控。首先利用XRD測試樣品的晶相分離情況。通過對測試結(jié)果的對比分析，發(fā)現(xiàn)間隔生長并沒有因為ZnO層的牽制作用使得MgO層能在極短的生長周期內(nèi)保持纖鋅礦的結(jié)構(gòu)，最終導致MgZnO合金薄膜依然存在相分離現(xiàn)象。其中ZnO層和MgO層的生長晶向分別為纖鋅礦[0002]和巖鹽礦[111]，因此我們可以得知MgO層的生長繼承了襯底和ZnO牽制層的六角對稱性，然而其結(jié)構(gòu)