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1、隨著電子信息領(lǐng)域卓越的進(jìn)步,作為發(fā)展基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料一直是人們關(guān)注研究的焦點(diǎn)。在多元復(fù)合半導(dǎo)體材料中,ZnxMg1-xO材料的禁帶寬度可以在3.3到7.7eV的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。同時(shí)ZnO中Zn2+的離子半徑為0.060nm,MgO中Mg2+的離子半徑為0.057nm,兩者差距非常小,因此在彼此離子替換時(shí)只會(huì)出現(xiàn)極小的晶格畸變。這些特性對(duì)于光電器件的研究具有廣闊前景與重要意義。本文使用溶膠凝膠法與水熱法對(duì)Mg含量在0.4~0.6范圍內(nèi)
2、的ZnxMg1-xO薄膜進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性、光學(xué)特性與電學(xué)特性的詳細(xì)研究,同時(shí)使用第一性原理對(duì)ZnxMg1-xO薄膜進(jìn)行理論計(jì)算,討論其半導(dǎo)體特性,同時(shí)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論提供理論基礎(chǔ)。主要內(nèi)容與結(jié)論如下:
首先,對(duì)溶膠凝膠法制備的Zn0.5Mg0.5O、Zn0.4Mg0.6O與Zn0.6Mg0.4O薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)與電學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試與討論。由XRD分析可知,各組數(shù)據(jù)均出現(xiàn)ZnO與MgO衍射峰,且峰強(qiáng)都隨退火溫度升高而逐漸增強(qiáng),結(jié)晶性變
3、好,缺陷變少,晶粒尺寸都增大。各組數(shù)據(jù)的薄膜透光率均較好,都具有良好透光性,并整體隨退火溫度升高緩慢下降。薄膜的禁帶寬度整體都隨著退火溫度的升高而增大。同時(shí)對(duì)Zn0.5Mg0.5O薄膜中退火溫度為400~600℃樣品進(jìn)行電學(xué)特性測(cè)試,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)薄膜具有明顯的雙極性的開(kāi)關(guān)特性,但是并無(wú)循環(huán)特性。
同時(shí)為了更直觀的對(duì)比不同的薄膜成分對(duì)其結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性的影響,將Zn0.5Mg0.5O、Zn0.4Mg0.6O與Zn0.6Mg0.4O這三
4、組數(shù)據(jù)中的700與900℃的樣品進(jìn)行橫向?qū)Ρ?。XRD分析可知,隨Zn含量的增大,ZnO衍射峰峰強(qiáng)不斷增強(qiáng),而MgO峰強(qiáng)逐漸減弱。透光率隨Zn含量的增加而逐漸增大,但隨溫度升高透光率整體下降。而禁帶寬度的值隨著Zn含量的增加而逐漸減小,原因是MgO的禁帶寬度比ZnO大,因此Mg含量增加會(huì)使禁帶寬度變大。
其次,對(duì)水熱法制備的Zn0.5Mg0.5O薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)與電學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試與討論。先將水熱溫度定為150℃,焙燒溫度定在50
5、0℃,并選取不同的pH值作為第一個(gè)變化的實(shí)驗(yàn)參數(shù),通過(guò)XRD分析發(fā)現(xiàn)該組實(shí)驗(yàn)并未出現(xiàn)立方相MgO衍射峰,ZnO隨pH值升高結(jié)晶性逐漸變差。各pH值的透光率整體相差不大,稍有增大趨勢(shì),禁帶寬度在pH=11時(shí)最大。測(cè)試其電學(xué)特性發(fā)現(xiàn)薄膜均具有雙極性開(kāi)關(guān)特性,同時(shí)具有很高的開(kāi)關(guān)比。然后將pH值定在10,焙燒溫度定在500℃,并選取水熱溫度從150℃到250℃作為該組的實(shí)驗(yàn)變量,通過(guò)XRD分析發(fā)現(xiàn)水熱溫度為150℃與175℃時(shí),薄膜中仍未出現(xiàn)立
6、方相MgO的衍射峰,直到200℃時(shí)才出現(xiàn)微弱MgO衍射峰。150℃時(shí)透光率最高,其余相差不大。禁帶寬度由于MgO的出現(xiàn)隨溫度升高而不斷增大。測(cè)試其電學(xué)特性發(fā)現(xiàn)薄膜均具有雙極性開(kāi)關(guān)特性與整流現(xiàn)象,說(shuō)明具有較高的開(kāi)關(guān)比。最后以pH=10,水熱溫度定在200℃,并選擇焙燒溫度從500℃到1000℃作為該組的實(shí)驗(yàn)變量,從XRD圖譜分析中可以看出隨著焙燒溫度的升高,MgO衍射峰的強(qiáng)度明顯增強(qiáng),ZnO衍射峰變化不大,說(shuō)明通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件,終于成功制
7、備出立方相MgO。薄膜的透光率隨焙燒溫度的升高逐漸減小,而禁帶寬度卻明顯增大。測(cè)試其電學(xué)特性時(shí),其開(kāi)關(guān)比隨焙燒溫度升高而增大,證明薄膜具有較大的開(kāi)關(guān)比,且誤差較小,說(shuō)明器件具有穩(wěn)定性。
最后,對(duì)相關(guān)的超晶胞模型進(jìn)行第一性原理的計(jì)算與分析。通過(guò)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),ZnO、MgO、六方相Zn0.5Mg0.5O與立方相的Zn0.5Mg0.5O均表現(xiàn)出直接帶隙半導(dǎo)體特征,且?guī)兜拇笮∽兓现暗膶?shí)驗(yàn)結(jié)果。本章還對(duì)各超晶胞的總態(tài)密度與分態(tài)
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