硅基ZnO系薄膜的波長(zhǎng)可調(diào)的電抽運(yùn)隨機(jī)激射及其物理機(jī)制.pdf

1、ZnO由于具有3.37eV的寬直接帶隙，60meV的高激子束縛能等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是優(yōu)異的紫外發(fā)光材料。同時(shí)，ZnO還具有較高的折射率。因此，近十年來ZnO薄膜的隨機(jī)激射引起了人們巨大的研究熱情。在ZnO薄膜的光抽運(yùn)隨機(jī)激射得到充分研究的基礎(chǔ)上，近年來人們以多種方式實(shí)現(xiàn)了ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激射。需要指出的是，ZnO與MgO形成的合金半導(dǎo)體MgZnO的禁帶寬度比ZnO的更大；而ZnO與CdO形成的合金半導(dǎo)體CdZnO的禁帶寬度比ZnO的更

2、小。因此，若能實(shí)現(xiàn)MgZnO和CdZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激射，則可使ZnO系薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激射的波長(zhǎng)覆蓋紫外(甚至深紫外)至可見光區(qū)。眾所周知，Si作為最重要的半導(dǎo)體被廣泛用于微電子器件的制造，然而由于間接帶隙的限制，Si不能作為發(fā)光器件的活性層。因此，如果能實(shí)現(xiàn)Si基ZnO系薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激射，則不僅可發(fā)揮ZnO和Si各自的優(yōu)勢(shì)，而且還有可能為某些硅基光電子器件提供所需的光源。
　　 本文詳細(xì)地研究了硅基ZnO、MgZnO

3、和CdZnO薄膜的波長(zhǎng)可調(diào)的電抽運(yùn)隨機(jī)激射及其物理機(jī)制。在制備以硅基ZnO、MgZnO和CdZnO薄膜為發(fā)光層的異質(zhì)結(jié)或金屬－絕緣體－半導(dǎo)體(MIS)器件的基礎(chǔ)上，對(duì)這些器件的發(fā)光特性及其發(fā)光機(jī)制進(jìn)行了研究，取得如下有創(chuàng)新意義的結(jié)果：
　　 (1)利用溶膠－凝膠法在硅襯底上制備了MgxZn1-xO(X=0，0.05，0.15，0.2，0.25，0.35，0.8)薄膜，并以它們?yōu)榘雽?dǎo)體層形成MIS器件。在足夠高的正向偏壓(硅襯底接

4、負(fù)壓)下，器件均可產(chǎn)生來自于MgxZn1-xO薄膜的紫外隨機(jī)激射。當(dāng)Mg的組分在x=0～0.35間變化時(shí)，隨著MgxZn1-xO薄膜中Mg含量的增高，隨機(jī)激射的中心波長(zhǎng)從～380nm逐漸藍(lán)移到～356nm；而當(dāng)Mg的組分增至x=0.8時(shí)，器件的隨機(jī)激射的中心波長(zhǎng)移至～285nm。從MgxZn1-xO薄膜的光增益和光多重散射的角度，闡明了上述電抽運(yùn)隨機(jī)激射現(xiàn)象的物理機(jī)制。
　　 (2)利用射頻濺射法在硅襯底上制備了ZnO/CdO雙

5、層膜結(jié)構(gòu)，通過高溫?zé)崽幚?，使雙層膜的組分發(fā)生互擴(kuò)散，從而形成Cd和Zn組分漸變的CdxZn1-xO薄膜。利用此薄膜作為發(fā)光層，制備了SiO2/ZnO-CdO/SiO2雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)器件，實(shí)現(xiàn)了紫外光和可見光并存的電抽運(yùn)隨機(jī)激射。研究表明，其紫外及可見光區(qū)的隨機(jī)激射分別來源于SiO2/ZnO界面處附近的ZnO薄膜和其以下的組分漸變的CdxZn1-xO薄膜。
　　 (3)利用射頻濺射法制備了Cd組分較高的CdZnO薄膜。通過對(duì)薄膜進(jìn)行A

6、r氣氛下不同溫度的快速熱處理，實(shí)現(xiàn)了CdZnO薄膜在可見光區(qū)的發(fā)光波長(zhǎng)從～490nm到～425nm的可調(diào)。在硅襯底上制備了以上述薄膜為半導(dǎo)體層的MIS器件。在足夠大的正向偏壓下，器件在可見光區(qū)均產(chǎn)生了隨機(jī)激射。隨著CdZnO薄膜的快速熱處理溫度的升高，器件的隨機(jī)激射中心波長(zhǎng)從～490nm藍(lán)移至～430nm。研究表明，在MIS器件制備過程中，作為絕緣層的SiO2薄膜必須在足夠低的溫度下制備，才有可能保持CdZnO薄膜的發(fā)光性能不發(fā)生變化。

7、
　　 (4)在硅襯底上制備了基于MgxZn1-xO/ZnO(x=0.25或1)異質(zhì)結(jié)的器件，其中ZnO薄膜作為發(fā)光層，分別由溶膠-凝膠法和磁控濺射法制備；MgxZn1-xO薄膜作為勢(shì)壘層。溶膠-凝膠法制備的ZnO薄膜晶粒取向更多且較為疏松，因而具有更強(qiáng)的光散射能力。當(dāng)異質(zhì)結(jié)中的ZnO薄膜由溶膠-凝膠法制備時(shí)，兩種異質(zhì)結(jié)器件在足夠大的正向電流下都可產(chǎn)生隨機(jī)激射；而當(dāng)異質(zhì)結(jié)中的ZnO薄膜由濺射法制備時(shí)，僅有MgO/ZnO異質(zhì)結(jié)器件

8、才在合適的電流下產(chǎn)生隨機(jī)激射。分析表明：對(duì)于ZnO薄膜的電抽運(yùn)隨機(jī)激射，其光增益和光散射能力間存在補(bǔ)償關(guān)系。即：光散射能力較強(qiáng)時(shí)，隨機(jī)激射可在光增益較小的情況下產(chǎn)生。
　　 (5)在重?fù)絅型硅襯底上制備了以Mg0.15Zn0.85O薄膜作為發(fā)光層，MgxZn1-xO(x=0.2，0.25，0.35)薄膜作為勢(shì)壘層的異質(zhì)結(jié)。在足夠大的正向電流下，當(dāng)勢(shì)壘層為Mg0.2Zn0.8O薄膜時(shí)，異質(zhì)結(jié)的電致發(fā)光表現(xiàn)為從可見到紫外光區(qū)的自發(fā)輻

9、射；而當(dāng)勢(shì)壘層為Mg0.25Zn0.75O或Mg0.35Zn0.65O薄膜時(shí)，異質(zhì)結(jié)在紫外光區(qū)產(chǎn)生隨機(jī)激射，同時(shí)在可見光區(qū)產(chǎn)生自發(fā)輻射。分析表明，足夠大的電子勢(shì)壘是上述異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生隨機(jī)激射的必要條件。對(duì)發(fā)光層為Mg0.15Zn0.85O薄膜的異質(zhì)結(jié)來說，產(chǎn)生電抽運(yùn)隨機(jī)激射所需的電子勢(shì)壘較小，大約為0.17eV。
　　 (6)研究了不同的ZnO薄膜的光抽運(yùn)和電抽運(yùn)隨機(jī)激射在閾值上的差異。對(duì)濺射法制備的ZnO薄膜分別做不同溫度的熱處理

10、，并在硅襯底上制備以此熱處理后的ZnO薄膜作為半導(dǎo)體層的MIS器件。經(jīng)高溫處理后的ZnO薄膜具有較大的光增益，而經(jīng)低溫處理后的ZnO薄膜具有較強(qiáng)的光散射能力。對(duì)光抽運(yùn)隨機(jī)激射而言，經(jīng)過高溫?zé)崽幚淼腪nO薄膜產(chǎn)生隨機(jī)激射的閾值較低。而對(duì)電抽運(yùn)隨機(jī)激射而言，基于兩種ZnO薄膜的MIS器件產(chǎn)生隨機(jī)激射的閾值幾乎相同。從光抽運(yùn)和電抽運(yùn)兩種情況下的載流子分布情況以及對(duì)光多重散射情況的分析出發(fā)，對(duì)此兩種情況下激射閾值的差異進(jìn)行了解釋。