脉冲激光沉积ZnO薄膜的工艺及其性能的研究

摘要

随着信息时代的到来，人们对短波长发光器件的需求日益增长，因此人们对宽禁带直接带隙半导体的研究产生了极大的兴趣。氧化锌(ZnO)是一种宽禁带直接带隙(室温下3.37eV)Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，室温下激子束缚能60meV，理论上可实现室温下的紫外受激辐射，在紫外发射器件、紫外激光器件等领域具有广阔的应用前景。 ZnO薄膜的制作方法很多，溅射法、真空蒸镀、分子束外延、脉冲激光沉积、化学气相沉积、原子层外延、喷雾热分解、溶胶凝胶、锌膜氧化法等。脉冲激光沉积是近年来发展起来的先进的薄膜生长技术，与其他方法相比，脉冲激光沉积法对获得高质量的氧化物薄膜更加有效，因为它具有简单的结构且操作方便，可以通过调节激光能量、激光频率等来控制薄膜的原子层厚度。脉冲激光沉积ZnO薄膜是在高真空背景下用高能激光烧蚀ZnO靶材生成蒸发物沉积在加热衬底上生长晶体薄膜。 本文用脉冲激光沉积方法以ZnO陶瓷为靶材，在Si(111)衬底上生长ZnO薄膜，讨论了氧分压、衬底温度、脉冲能量、退火等条件对ZnO薄膜特性的影响；用X射线衍射(XRD)对薄膜的结晶质量进行了分析；用扫描电子显微镜(SEM)对薄膜的表面形貌进行了表征；荧光光致发光谱(PL)对薄膜的发光特性进行了研究，用椭偏膜厚仪对薄膜的膜厚进行了测量。通过对ZnO薄膜的结构和发光特性的研究，分析了生长参数对薄膜特性的影响，找到了生长薄膜的优化条件，得到了高度c轴(002)取向的结晶质量较高的ZnO薄膜。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1引言

1.2 ZnO材料的基本性质

1.2.1 ZnO的结构性质

1.2.2 ZnO的能带结构

1.2.3 ZnO的缺陷与掺杂

1.2.4 ZnO的光学性质

1.3 ZnO薄膜的主要应用

1.3.1表面声波器件

1.3.2太阳能电池

1.3.3传感器

1.3.4 GaN缓冲层

1.3.5紫外探测器

1.3.6 ZnO发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)

1.4 ZnO薄膜的制备方法

1.4.1溅射法(sputtering)

1.4.2分子束外延(MBE)

1.4.3脉冲激光沉积方法(PLD)

1.4.4金属有机化学气相沉积(MOCVD)

1.5脉冲激光沉积方法

1.5.1脉冲激光沉积方法研究现状

1.5.2脉冲激光沉积方法基本原理

1.5.3脉冲激光沉积方法的优、缺点

1.6 ZnO材料的研究热点

第2章实验设计

2.1实验设备概述

2.2实验材料的准备

2.2.1衬底的选择及预处理

2.2.2靶材

2.3实验参数选择

2.3.1氧分压

2.3.2衬底温度

2.3.3脉冲能量

2.3.4退火

2.4实验过程

2.5测试手段概述

2.5.1结构分析——X射线衍射(XRD)

2.5.2形貌分析——扫描电子显微镜(SEM)

2.5.3发光分析——光致发光谱(PL)

2.5.4膜厚分析——椭偏膜厚仪

第3章实验结果分析

3.1氧分压对ZnO薄膜的影响

3.1.1氧分压对ZnO薄膜结构的影响

3.1.2氧分压对ZnO薄膜形貌的影响

3.1.3氧分压对ZnO薄膜发光性能的影响

3.1.4氧分压对ZnO薄膜厚度的影响

3.2衬底温度对ZnO薄膜的影响

3.2.1衬底温度对ZnO薄膜结构的影响

3.2.2衬底温度对ZnO薄膜形貌的影响

3.2.3衬底温度对ZnO薄膜发光性能的影响

3.2.4衬底温度对ZnO薄膜厚度的影响

3.3脉冲能量对ZnO薄膜的影响

3.3.1脉冲能量对ZnO薄膜结构的影响

3.3.2脉冲能量对ZnO薄膜形貌的影响

3.3.3脉冲能量对ZnO薄膜发光性能的影响

3.3.4脉冲能量对ZnO薄膜厚度的影响

3.4退火对ZnO薄膜的影响

3.4.1退火对ZnO薄膜结构的影响

3.4.2退火对ZnO薄膜形貌的影响

3.4.3退火对ZnO薄膜光致发光的影响

第4章结论

参考文献

致谢

附录