ZnO基薄膜及多量子阱結構的脈沖激光沉積制備與物性研究.pdf

1、ZnO是Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶（3.37 eV，室溫）半導體材料，其激子束縛能高達60 meV，因此，容易在室溫或更高溫度獲得紫外光發(fā)射，適于制作紫外及深紫外光電器件。本論文針對當前ZnO的研究難點，利用脈沖激光沉積(PLD)技術，制備了高質量ZnO和MgZnO薄膜，構建了不同結構、不同取向的MgZnO/MgO和ZnO/MgO應變多量子阱結構，圍繞它們的結構性質和光學性質開展了系列研究工作，主要內容如下:
　　系統(tǒng)地研究了襯底溫度、氧氣壓

2、強和激光功率密度對ZnO薄膜的結晶和光學質量的影響，優(yōu)化了工藝條件。在此基礎上，采用等離子體輔助PLD技術，氮化處理Si(111)表面，之后生長高質量ZnO薄膜。結果表明，氮化層的引入克服了在非極性半導體上生長極性半導體存在的界面電荷失衡問題，對生長初期降低ZnO/Si(111)界面缺陷密度，進而獲得高質量ZnO薄膜起到了關鍵性作用?；赬射線光電子能譜深度分析，提出了界面處Si-N-Zn-O的成鍵構型，并借助自然鍵軌道理論模擬對其合理

3、性及穩(wěn)定性給予充分證明。
　　為拓寬ZnO在紫外及深紫外波段的光學帶隙，在全組分范圍內制備了系列MgxZn1-xO合金薄膜，系統(tǒng)地研究了其結構和光學性質。當x＜40％時，MgxZn1-xO為纖鋅礦結構;x＞50％時，為巖鹽礦結構;40％＜x＜50％時，為二者并存的混相結構。在全組分范圍內，MgxZn1-xO的光學帶隙可以在紫外及深紫外波段連續(xù)可調。隨著Mg組分增大，其紫外光發(fā)射峰位從3.3 eV逐漸藍移到3.8 eV，當Mg組分達

4、到40％時，紫外光發(fā)射峰位不再繼續(xù)藍移，這可能是合金無序造成的富Zn局域態(tài)所致。為了研究MgxZn1.xO薄膜在光探測方面的應用，構建了Au/Mg0.21Zn0.79O和Au/NiO/Mg0.21Zn0.79O結構紫外光探測器。其光響應特性表明，NiO層的加入提高了探測器的光響應度和量子效率，這是熱載流子在具有高電場強度的NiO層內加速時的雪崩過程所致。
　　在c-Al2O3和m-A12O3襯底上制備了MgZnO/MgO和ZnO/

5、MgO應變多量子阱納米柱。納米柱垂直襯底表面生長，Z襯度截面掃描透射電鏡和組分線掃描分析表明，沿納米柱軸向形成了多量子阱結構。高分辨電鏡表明，在具有較大晶格失配的MgZnO和MgO，ZnO和MgO層間均獲得了高質量界面的外延生長。值得注意的是，隨著阱層厚度減薄，它們均經歷了從六角相到立方相的結構轉變過程。X射線分析及計算結果表明，阱層材料內巨大的壓應力是誘導這一結構轉變過程的主要原因，其有利于將低Mg組分MgZnO合金甚至ZnO穩(wěn)定在立