P-MBE法生長ZnMgO合金薄膜及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的性能研究.pdf

1、ZnO作為一種直接禁帶半導體材料，具有3.37 eV的禁帶寬度以及60 meV的激子束縛能，在短波長光電器件中具有非常大的應用潛力。ZnO基光電器件應用的一個關(guān)鍵問題是實現(xiàn)能帶裁剪從而制備量子阱結(jié)構(gòu)，即能帶工程。ZnMgO合金薄膜禁帶寬度可以大范圍調(diào)節(jié)，且其晶格常數(shù)變化不大，因此是開展ZnO能帶工程的首選材料之一。為了實現(xiàn)ZnMgO合金在光電器件和量子阱中的應用，首先要制備優(yōu)質(zhì)的ZnMgO單晶薄膜和ZnO/ZnMgO多量子阱結(jié)構(gòu)。同時，

2、異質(zhì)結(jié)是構(gòu)成量子阱和超晶格的基礎，要實現(xiàn)高效的載流子注入和限域作用，異質(zhì)結(jié)界面能帶結(jié)構(gòu)的測定和設計至關(guān)重要。
　　鑒于上述情況，我們開展了高晶體質(zhì)量、低缺陷密度的ZnMgO單晶薄膜生長研究;在此基礎上，研究Mg組分和生長取向?qū)nMgO/ZnO異質(zhì)結(jié)界面能帶偏移的影響;最后采用P-MBE法制備了ZnO/ZnMgO量子阱結(jié)構(gòu)，通過光致發(fā)光譜研究其光學性能。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論為:
　　1.采用射頻等離子體輔助分子束外延(P

3、-MBE)技術(shù)在c面藍寶石襯底上生長了優(yōu)質(zhì)的ZnMgO單晶薄膜。通過引入MgO緩沖層技術(shù)，ZnMgO合金薄膜室溫電子遷移率達到了66 cm2V-1s-1，高分辨XRD搖擺曲線(002)面半峰寬僅47arcsec，螺型位錯密度降低至4×106 cm-2，顯著提高了其晶體質(zhì)量。
　　2.采用光電子能譜法測定了Zn1-xMgxO/ZnO異質(zhì)結(jié)的能帶帶階。Zn1-xMgO/ZnO異質(zhì)結(jié)的界面能帶排列為type-Ⅰ型結(jié)構(gòu)，其導帶帶階和價帶帶

4、階比值ΔEC/ΔEV分別為1.5(x=0.1)，1.8(x=0.15),2.0(x=0.2)。這說明Zn1-xMgO/ZnO異質(zhì)結(jié)中能帶帶階的偏移量和比值與Mg組分密切相關(guān)。
　　3.采用脈沖激光沉積法在c面和r面藍寶石襯底上制備了極性和非極性取向的Na摻雜ZnMgO薄膜。Hall測試顯示a面非極性取向的ZnMgO∶Na薄膜呈現(xiàn)p型導電信號，空穴濃度為3.5×1016 cm-3，而c面極性取向薄膜的導電類型為補償型導電。為了探索p

5、型導電機理，我們研究了不同生長取向ZnMgO/ZnO異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)。極性和非極性異質(zhì)結(jié)的價帶偏移量分別為0.07 eV和0.02 eV，能帶結(jié)構(gòu)均為type-Ⅰ型，極性ZnMgO/ZnO異質(zhì)結(jié)中的自發(fā)極化效應是造成兩種異質(zhì)結(jié)能帶帶階值差別的主要原因。我們認為，非極性ZnMgO相對于極性價帶下移量更小，導致NaZn受主能級變淺，且導帶上移量更大引起施主能級變深，這兩者的綜合作用是非極性ZnMgO∶Na薄膜中p型導電的來源。
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6、.采用P-MBE技術(shù)在藍寶石襯底上制備了一系列5個周期的ZnO/ZnMgO多量子阱結(jié)構(gòu)。高分辨XRD測試結(jié)果表明這些量子阱具有良好的周期性結(jié)構(gòu)。通過PL測試分析，量子阱在低溫下可以分辨出局域激子發(fā)光峰(LE)，自由激子發(fā)光峰(FE)以及LE的多個聲子伴線，同時LE的半峰寬均小于10 meV，表明了這些量子阱具有非常好的質(zhì)量。隨著勢阱層的厚度減小或者勢壘組分增加，LE發(fā)射峰不斷藍移，量子約束效應增強。
　　5.通過比較不同Mg組分的