氧化鋅薄膜光學(xué)各向異性和電光效應(yīng)的研究.pdf

1、21世紀(jì)是信息技術(shù)時(shí)代，材料則是推動(dòng)信息的原動(dòng)力，半導(dǎo)體材料的研究和開(kāi)發(fā)一直是人們研究的重點(diǎn)之一。ZnO半導(dǎo)體材料是繼GaN和SiC之后的又一種第三代半導(dǎo)體材料，其在晶格常數(shù)和禁帶寬度等方面與GaN很相近。ZnO和GaN相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，具有更高的熔點(diǎn)、更高的化學(xué)穩(wěn)定性、更強(qiáng)的抗輻射能力、更高的激子束縛能、更低的制作成本、更豐富的源材料、更多的匹配襯底材料以及更好的光電集成特性。因此，ZnO是一種用于短波長(zhǎng)光電器件的理想材料，極具

2、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用價(jià)值，開(kāi)展氧化鋅薄膜光學(xué)各向異性和電光效應(yīng)的研究將有利于人們深入了解ZnO基半導(dǎo)體材料的性質(zhì)，為ZnO基半導(dǎo)體材料在短波長(zhǎng)光電器件中的應(yīng)用奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。
　　 本文使用分子束外延生長(zhǎng)方法(MBE)在藍(lán)寶石(0001)面上生長(zhǎng)了本征ZnO薄膜；使用金屬有機(jī)物氣相外延方法(MOVPE)在藍(lán)寶石(0001)面上生長(zhǎng)了n型GaN薄膜，并以n型GaN薄膜為基底，用MBE方法進(jìn)一步生長(zhǎng)ZnO、MgO、以及不同厚度的MgO/ZnO

3、超晶格薄膜樣品。接著，對(duì)樣品進(jìn)行AFM、SEM、PL、以及透射譜表征。AFM結(jié)果表明各個(gè)樣品表面都較為平整，粗糙度都較小。PL譜和透射譜的測(cè)試結(jié)果表明n型GaN薄膜的外延質(zhì)量較好，在n型GaN薄膜上成功制備了ZnO和超晶格的層狀薄膜結(jié)構(gòu)。使用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)n-GaN、MgO、以及ZnO樣品的厚度做了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與各樣品設(shè)計(jì)厚度基本符合，為電光系數(shù)的測(cè)量提供了一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的厚度參數(shù)初值。
　　 本文重點(diǎn)是使用橢圓偏振

4、光譜儀分別在60°、65°和70°三個(gè)不同的入射角對(duì)ZnO樣品進(jìn)行測(cè)試，獲得了不同角度下的原始數(shù)據(jù)。結(jié)合樣品的實(shí)際情況，建立了由表面層、平整層、緩沖層、以及襯底層四層組成的樣品物理結(jié)構(gòu)模型。分析并比較了Sellmeier、Cauchy、Tanguy Extend等色散公式的優(yōu)缺點(diǎn)，并采用Tanguy Extended色散公式描述ZnO薄膜材料的全波段色散關(guān)系。首先將ZnO樣品看作各向同性的材料進(jìn)行擬合，結(jié)果表明，對(duì)于不同的入射角，標(biāo)準(zhǔn)差

5、χ2值都小于0.10，擬合的各層厚度值與樣品實(shí)驗(yàn)制備的厚度經(jīng)驗(yàn)值相吻合。ZnO薄膜的禁帶寬度Eg均在3.30-3.40eV范圍內(nèi)，與實(shí)驗(yàn)值接近；激子束縛能R值約為60.00meV，與他人的結(jié)果一致。說(shuō)明本文所構(gòu)建的物理結(jié)構(gòu)模型合理，選用的Tanguy Extended色散公式能較好地描述ZnO半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)，尤其是帶邊附近的特性。
　　 分析不同角度的擬合結(jié)果可以看出，隨著入射角度的增大，帶隙Eg和激子束縛能R遞增；折射率

6、變小而消光系數(shù)增大。這些物理參量隨入射角度有規(guī)律變化，反映了ZnO薄膜具有較強(qiáng)的各向異性。因而，本文進(jìn)一步將ZnO平整層看作具有各向異性的介質(zhì)材料對(duì)ZnO薄膜的70°橢偏譜進(jìn)行擬合。擬合結(jié)果表明，將ZnO平整層看作各向異性介質(zhì)與各向同性介質(zhì)在厚度、帶隙與束縛能等方面沒(méi)有明顯差別，o光、e光的帶隙與束縛能分別處于將ZnO平整層看作各向同性介質(zhì)的帶隙與束縛能的兩端，也較為合理。
　　 本文同時(shí)給出了各向同性與各向異性ZnO薄膜材料的

7、折射率和消光系數(shù)的關(guān)系。從擬合結(jié)果可知，o光、e光的折射率和消光系數(shù)是有差別的，將ZnO平整層當(dāng)作具有各向同性介質(zhì)的擬合結(jié)果介于o光、e光的結(jié)果之間。o光折射率比e光折射率大，帶隙之上波段的o光消光系數(shù)比e光消光系數(shù)小，且差距隨著能量的增大有逐漸增大的趨勢(shì)。表明本文的ZnO樣品確實(shí)具有各向異性，在帶隙之上的波段會(huì)表現(xiàn)得更明顯。對(duì)光學(xué)常數(shù)n和k要求嚴(yán)格的ZnO薄膜材料紫外波段器件，則應(yīng)將ZnO薄膜材料看作各向異性介質(zhì)，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的器件性