ZnO和ZnO-MgO復(fù)合層薄膜的PLD法制備及其特性研究.pdf

1、(ZnO)是一種直接帶隙寬禁帶(3.37eV)Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，具有較大的激子束縛能(60meV)，理論上可以在室溫下實(shí)現(xiàn)紫外光的受激發(fā)射。同時(shí)，ZnO還是優(yōu)質(zhì)的壓電、氣敏及光電材料。ZnO薄膜的制作方法很多，傳統(tǒng)方法有：磁控濺射(magnetronsputtering)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、溶膠凝膠法(sol-gel)、噴霧熱解法(spaypyrolysis)、熱氧化法(thermaloxidation)、分子束外延(MB

2、E)等，新的生長(zhǎng)技術(shù)如脈沖激光沉積(PLD)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、原子層外延生長(zhǎng)法(ALE)、激光分子束外延(L-MBE)等也開始廣泛應(yīng)用。由于ZnO在結(jié)構(gòu)、能帶、電學(xué)和光學(xué)方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，加上ZnO薄膜的制作方法很多，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，ZnO在器件應(yīng)用方面具有廣闊的應(yīng)用范圍，潛力很大，前景極好。它可以被用來制作透明電極、壓敏電阻、太陽能電池窗口、表面聲波器件、氣體傳感器、發(fā)光二極管等。在短波區(qū)域，ZnO可用于制

3、造紫外發(fā)光器件和紫外激光器，對(duì)于提高光記錄密度及光信息的存取速度起著非常重要的作用。 脈沖激光沉積是近年來發(fā)展起來的先進(jìn)的薄膜生長(zhǎng)技術(shù)，能夠制備出高質(zhì)量的薄膜。它的工作原理是在高真空背景下用高能激光燒蝕ZnO靶材生成蒸發(fā)物淀積在加熱襯底上生長(zhǎng)晶體薄膜。有多種襯底可以生長(zhǎng)ZnO薄膜，目前使用最多的是Al2O3襯底，已經(jīng)以Al2O3為襯底制備出高質(zhì)量的ZnO薄膜。而Si是最重要和使用最廣泛的半導(dǎo)體材料，它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，已經(jīng)擁有成

4、熟的加工工藝。本論文中用脈沖激光沉積方法在Si(111)襯底上按照襯底溫度、脈沖激光重復(fù)頻率、環(huán)境氧壓等不同條件生長(zhǎng)了ZnO薄膜，并用X射線衍射(XRD)、熒光光譜(PL)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子力顯微鏡(AFM)以及臺(tái)階儀和電子探針等測(cè)試手段進(jìn)行了表征。根據(jù)對(duì)ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性的研究，找到了生長(zhǎng)薄膜的優(yōu)化條件，得到了高度c-軸(002)取向的結(jié)晶質(zhì)量較高的ZnO薄膜。發(fā)現(xiàn)在溫度為650℃左右、氧壓50Pa左右、頻率5H

5、z左右的范圍內(nèi)能生長(zhǎng)出結(jié)晶質(zhì)量較好的薄膜，并能得到半高寬較窄，強(qiáng)度較大的紫外發(fā)光峰。 同時(shí)研究了ZnO薄膜的發(fā)光機(jī)理，認(rèn)為薄膜紫外峰源自自由激子復(fù)合發(fā)光，綠光峰的發(fā)光機(jī)制與鋅位氧OZn關(guān)系密切，氧空位是藍(lán)光發(fā)射的重要原因。 PLD方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)生長(zhǎng)的薄膜進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)，反射式高能電子衍射儀(RHEED)是本試驗(yàn)中用來對(duì)ZnO薄膜生長(zhǎng)進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)的重要儀器。通過觀察研究了ZnO薄膜的生長(zhǎng)方式，對(duì)觀測(cè)到的Si(111)

6、襯底和Al2O3襯底的RHEED圖像進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)了ZnO薄膜的兩種RHEED電子衍射點(diǎn)陣并對(duì)它們進(jìn)行了標(biāo)定。 MgO的禁帶寬度為6.7eV左右，并且與ZnO有不同的光學(xué)折射率，為了研究MgO對(duì)ZnO的能帶結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性的調(diào)制作用以及利用它們不同的光學(xué)折射率制作用于改善ZnO紫外發(fā)光特性的布喇格反射器，用ZnO、MgO兩種靶材制作了不同周期的ZnO/MgO復(fù)合層薄膜。經(jīng)過對(duì)ZnO/MgO復(fù)合層薄膜的結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性的研究，發(fā)

7、現(xiàn)與高度c軸取向的ZnO薄膜相比，復(fù)合層薄膜中ZnO(002)峰在XRD圖樣中的衍射角變大，熒光譜中紫外峰的位置發(fā)生了藍(lán)移，使得復(fù)合層薄膜的禁帶寬度提高了大約0.05eV。用TEM對(duì)薄膜的截面進(jìn)行了觀察，得到了復(fù)合層薄膜的晶格特征和結(jié)晶區(qū)域分布狀態(tài)。TEM圖像說明由于Mg原子進(jìn)入六方ZnO晶格代替Zn原子，引起(001)面內(nèi)晶格扭曲使得a軸長(zhǎng)度增加和c軸長(zhǎng)度變短，其它區(qū)域根據(jù)擴(kuò)散程度的不同形成了MgO或者ZnxMg1-xO多晶顆粒。這些