ZnO和ZnO-MgO復合層薄膜的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族化合物半導體材料，具有較大的激子束縛能(60meV)，理論上可以在室溫下實現紫外光的受激發(fā)射。同時，ZnO還是優(yōu)質的壓電、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，新的生長技術如脈沖激光沉積(PLD)、金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)、原子層外延生長法(ALE)、激光分子束外延(L-MBE)等也開始廣泛應用。由于ZnO在結構、能帶、電學和光學方面的諸多優(yōu)點，加上ZnO薄膜的制作方法很多，可以適應不同的應用需求，ZnO在器件應用方面具有廣闊的應用范圍，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)展起來的先進的薄膜生長技術，能夠制備出高質量的薄膜。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晶體薄膜。有多種襯底可以生長ZnO薄膜，目前使用最多的是Al2O3襯底，已經以Al2O3為襯底制備出高質量的ZnO薄膜。而Si是最重要和使用最廣泛的半導體材料，它的優(yōu)點是價格便宜，已經擁有成

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、脈沖激光重復頻率、環(huán)境氧壓等不同條件生長了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)以及臺階儀和電子探針等測試手段進行了表征。根據對ZnO薄膜的結構和發(fā)光特性的研究，找到了生長薄膜的優(yōu)化條件，得到了高度c-軸(002)取向的結晶質量較高的ZnO薄膜。發(fā)現在溫度為650℃左右、氧壓50Pa左右、頻率5H

5、z左右的范圍內能生長出結晶質量較好的薄膜，并能得到半高寬較窄，強度較大的紫外發(fā)光峰。 同時研究了ZnO薄膜的發(fā)光機理，認為薄膜紫外峰源自自由激子復合發(fā)光，綠光峰的發(fā)光機制與鋅位氧OZn關系密切，氧空位是藍光發(fā)射的重要原因。 PLD方法的一個優(yōu)點是可以對生長的薄膜進行原位監(jiān)測，反射式高能電子衍射儀(RHEED)是本試驗中用來對ZnO薄膜生長進行原位監(jiān)測的重要儀器。通過觀察研究了ZnO薄膜的生長方式，對觀測到的Si(111)

6、襯底和Al2O3襯底的RHEED圖像進行了結構分析，發(fā)現了ZnO薄膜的兩種RHEED電子衍射點陣并對它們進行了標定。 MgO的禁帶寬度為6.7eV左右，并且與ZnO有不同的光學折射率，為了研究MgO對ZnO的能帶結構和發(fā)光特性的調制作用以及利用它們不同的光學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復合層薄膜。經過對ZnO/MgO復合層薄膜的結構和發(fā)光特性的研究，發(fā)

7、現與高度c軸取向的ZnO薄膜相比，復合層薄膜中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)生了藍移，使得復合層薄膜的禁帶寬度提高了大約0.05eV。用TEM對薄膜的截面進行了觀察，得到了復合層薄膜的晶格特征和結晶區(qū)域分布狀態(tài)。TEM圖像說明由于Mg原子進入六方ZnO晶格代替Zn原子，引起(001)面內晶格扭曲使得a軸長度增加和c軸長度變短，其它區(qū)域根據擴散程度的不同形成了MgO或者ZnxMg1-xO多晶顆粒。這些