脈沖激光沉積法制備Zn1-xMgxO薄膜及其性能研究.pdf

1、ZnO是Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料,屬于六角纖鋅礦結(jié)構(gòu),具有較大的激子束縛能,可以實(shí)現(xiàn)室溫下的紫外受激輻射。它的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,帶隙達(dá)到3.37eV,非常適用于短波長光學(xué)器件,是目前極具發(fā)展?jié)摿Φ碾娮颖∧げ牧现?。最近研究發(fā)現(xiàn),在ZnO中摻雜Mg、Cd可以改變ZnO的帶隙,將有利于器件的光學(xué)參數(shù)調(diào)制。因此,制備出適合紫外光電器件需要的光學(xué)性能可以調(diào)制的高質(zhì)量ZnO薄膜有著非常重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文利用脈沖激光沉積(

2、PLD)方法在襯底不匹配度較大的Si單晶上制備出高c軸取向、藍(lán)綠發(fā)光峰被完全抑制、適合紫外光器件的高質(zhì)量MgxZnl-xO薄膜。文章著重圍繞Mg:ZnO薄膜的PLD制備工藝過程和結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能改性展開研究,主要研究內(nèi)容如下:
　　1、在真空和有氧條件下利用脈沖激光沉積方法在Si(100)襯底上制備出高c軸取向的Zn1-xMgxO薄膜。在背景真空度5×10-4 Pa、沉積時(shí)間為40min條件下,獲得了高生長致密度的單晶Zn1-xMg

3、xO薄膜,薄膜的紫外發(fā)射峰強(qiáng)度高,缺陷發(fā)光峰幾乎被完全抑制。
　　2、系統(tǒng)研究了Mg含量對(duì)樣品結(jié)構(gòu)的影響。在450℃生長溫度條件下,Mg含量x0.15?的靶材所制備的樣品仍然保持六角纖鋅礦結(jié)構(gòu),當(dāng)Mg含量x0.25?時(shí)樣品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閆nMgO立方相結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),通過550℃后續(xù)退火,立方相結(jié)構(gòu)又重新轉(zhuǎn)變?yōu)榱抢w鋅礦結(jié)構(gòu)。隨著靶材中Mg含量的增加,薄膜c軸晶格常數(shù)減小,表現(xiàn)為壓應(yīng)力,薄膜應(yīng)力的出現(xiàn)對(duì)結(jié)晶質(zhì)量將會(huì)產(chǎn)生影響。
　

4、　3、系統(tǒng)研究了氧氣氛、退火對(duì)Mg:ZnO薄膜結(jié)構(gòu)特征的影響。實(shí)驗(yàn)表明,適當(dāng)?shù)难鯄河欣诟纳颇っ娼Y(jié)構(gòu),1.0Pa的氧壓可以減少薄膜的晶體缺陷,同時(shí)對(duì)Mg在ZnO中固溶度產(chǎn)生影響;根據(jù)紫外發(fā)光峰的能量,我們推算出450℃襯底溫度下生長的薄膜中Mg含量約為靶中的1.6倍,這是因?yàn)閆n飽和蒸氣壓比Mg大,隨著襯底溫度的升高,薄膜表面的Zn揮發(fā)快,導(dǎo)致Mg相對(duì)含量增加,偏離靶材中的化學(xué)劑量比,這意味著調(diào)節(jié)襯底溫度可以控制薄膜中Mg的相對(duì)含量;同

5、時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),后續(xù)退火可促使晶粒進(jìn)一步長大,引起薄膜表面Zn的揮發(fā),進(jìn)而導(dǎo)致薄膜表面缺陷增多,Mg相對(duì)含量提高。
　　4、深入研究了Mg含量和工藝參數(shù)對(duì)薄膜光學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著Mg含量的增加,紫外發(fā)射減弱,缺陷發(fā)光峰增強(qiáng),薄膜帶隙加寬;1.0Pa的氧壓下生長的樣品相對(duì)于真空下獲得的樣品,紫外峰紅移。我們認(rèn)為,樣品紫外發(fā)射峰是自由激子和束縛激子發(fā)射引起的;綠光帶主要是由于氧間隙、鋅位氧或者鋅空位等缺陷能級(jí)發(fā)射引起的。