射頻反應(yīng)磁控濺射ZnO薄膜能帶工程相關(guān)問題研究.pdf

1、ZnO具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV，可以實(shí)現(xiàn)室溫下的激子發(fā)射。氧化鋅作為新一代的寬帶半導(dǎo)體材料，具有廣泛的應(yīng)用，如：ZnO薄膜可以制成表面聲波諧振器，壓電器件，GaN藍(lán)光薄膜的過渡層以及透明導(dǎo)電膜等。在ZnO光電特性研究中，制備結(jié)型器件是ZnO薄膜實(shí)用化的關(guān)鍵。而實(shí)現(xiàn)ZnO基結(jié)型器件的前提也自然成了這一領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，即：ZnO可靠p型摻雜的實(shí)現(xiàn)和ZnO能帶的調(diào)節(jié)。 本文采用RF反應(yīng)磁控濺射

2、方法在Si(100)和石英襯底上生長了ZnO薄膜，ZnO/MgO多量子阱以及Zn1-xCdxO合金薄膜。對薄膜的表面形貌、結(jié)構(gòu)、成分、光學(xué)、電學(xué)特性進(jìn)行了檢測與分析。分為以下四個部分： Ⅰ采用反應(yīng)射頻磁控濺射方法，在Si(100)基片上制備了具有高c軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜。利用原子力顯微鏡、透射電子顯微鏡、x-射線衍射分析、拉曼光譜等表征技術(shù)，研究了沉積溫度對ZnO薄膜的表面形貌、晶粒尺度、應(yīng)力狀態(tài)等結(jié)晶性能的影響；通過沉積溫度

3、對透射光譜和光致熒光光譜的影響，探討了ZnO薄膜的結(jié)晶特性與光學(xué)性能之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示：在室溫～500℃的范圍內(nèi)，ZnO薄膜的晶粒尺寸隨沉積溫度的增加而增加，在沉積溫度為500℃時達(dá)到最大；當(dāng)沉積溫度為750℃時，ZnO薄膜的晶粒尺度有所減小；在室溫～750℃的范圍內(nèi)，薄膜中ZnO晶粒與Si基體之間均存在著相對固定的外延關(guān)系；在沉積溫度低于500℃時，制備的ZnO薄膜處于壓應(yīng)變狀態(tài)，而750℃時沉積的薄膜表現(xiàn)為張應(yīng)變狀態(tài)。沉積溫度

4、的不同導(dǎo)致ZnO薄膜的折射率、消光系數(shù)、光學(xué)禁帶寬度以及光致熒光特性的變化，沉積溫度對紫外光致熒光特性起著決定性的作用。此外，我們探討了影響薄膜近紫外光致熒光發(fā)射的可能因素。 Ⅱ采用反應(yīng)射頻磁控濺射法，在Si(100)基片上制備了高c軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜，研究了退火溫度對ZnO薄膜的晶粒尺度、應(yīng)力狀態(tài)、成分和發(fā)光光譜的影響，探討了ZnO薄膜的紫外發(fā)光光譜和可見發(fā)光光譜與薄膜的微觀狀態(tài)之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示：在600-1000

5、℃退火溫度范圍內(nèi)，退火對薄膜的織構(gòu)取向的影響較小，但薄膜的應(yīng)力狀態(tài)和成分有比較明顯的變化。室溫下光致發(fā)光光譜分析發(fā)現(xiàn)：薄膜的近紫外光譜特征與薄膜的晶粒尺度和缺陷狀態(tài)之間存在著明顯的對應(yīng)關(guān)系；而近紫外光譜隨退火溫度升高所呈現(xiàn)的整體峰位紅移是各激子峰相對比例變化的結(jié)果。此外，研究結(jié)果顯示：薄膜的可見發(fā)光光譜對退火溫度極為敏感。 Ⅲ采用反應(yīng)射頻磁控濺射方法，在Si(100)基片上制備了具有高c軸擇優(yōu)取向的ZnO/MgO多量子阱。利用x

6、射線反射、x射線衍射、電子探針，光致熒光光譜等表征技術(shù)，研究了ZnO/MgO多量子阱的結(jié)構(gòu)、成份和光致熒光特性。研究結(jié)果表明，多量子阱的調(diào)制周期在1.85～22.3nm之間，所制備的多量子阱具有量子限域效應(yīng)，導(dǎo)致了室溫光致熒光峰的藍(lán)移，并觀測到了量子隧穿效應(yīng)引起的熒光效率下降。建立了基于多聲子輔助激子復(fù)合躍遷理論的室溫光致熒光光譜優(yōu)化擬合方法，通過室溫光致熒光光譜擬合發(fā)現(xiàn)，ZnO/MgO比ZnO/ZnMgO多量子阱具有更大的峰位藍(lán)移，探

7、討了導(dǎo)致光致熒光光譜展寬的可能因素。 Ⅳ采用反應(yīng)射頻磁控濺射方法，在Si(100)基片上制備了Zn1-xCdxO合金薄膜(0≤x≤0.179)。利用x射線衍射、電子探針、低溫、室溫光致熒光光譜和霍爾效應(yīng)等表征技術(shù)，研究了Zn1-xCdxO合金薄膜的結(jié)構(gòu)、成份和光電特性。研究結(jié)果表明，在Zn1-xCdxO合金薄膜的研究中，存在閃鋅礦結(jié)構(gòu)；Cd的摻入使本征p型的ZnO導(dǎo)電性變成n型，并且載流子濃度隨著Cd含量的增加而迅速增大；摻雜導(dǎo)