PLD方法沉积ZnO薄膜及其光电性能研究

摘要

氧化锌（ZnO）是新一代的Ⅱ—Ⅵ族宽带半导体材料，具有纤锌矿晶体结构，禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV，可以实现室温下的受激发射。ZnO薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、压敏性，并且易于与多种半导体材料实现集成化。因此，ZnO材料具有广泛的应用，可以制成表面声波谐振器，压电器件，透明导电膜以及GaN蓝光薄膜的过渡层等。 本文采用PLD方法在不同的沉积温度下，分别在蓝宝石基片、Si（001）基片、石英基片以及氮化处理后的蓝宝石基片上生长出了纯净的ZnO薄膜；利用反射式高能电子衍射分析（RHEED）、X射线衍射、Hall测量、透射光谱和光致荧光光谱对薄膜的结构、光学特性和电学特性进行了检测与分析。论文分为以下两个部分： Ⅰ采用PLD方法，在基片温度分别为250℃、350℃、450℃、550℃的条件下，在蓝宝石基片上制备了具有高c轴择优取向的ZnO薄膜。通过X射线衍射（XRD）、透射光谱、Hall效应测量以及室温和低温光致荧光（PL）光谱，对薄膜的结构、电学性能和光学性能进行了系统地表征，分析了沉积温度在薄膜生长中的作用，探讨了ZnO薄膜的结晶质量与光电性能之间的联系。此外，针对低温光谱中出现在3.31eV附近的荧光峰及其与载流子浓度变化规律的联系，讨论了该荧光峰在ZnO本征n型导电性的起源中的作用。 Ⅱ利用PLD技术，在不同沉积温度下，分别在Si基片、石英基片和氮化处理过的蓝宝石基片上生长出具有高c轴择优取向ZnO薄膜。探讨了不同基片上生长的ZnO薄膜的结构和光学性能；分析了氮化处理基片对ZnO薄膜生长行为及发光性能的影响。利用RHEED、XRD、透射光谱、Hall和光致荧光光谱等表征技术，对上述各种不同条件下生长的薄膜进行了系统的分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1 ZnO综述

1.1 ZnO的晶体结构

1.2 ZnO的光学和电学性质

1.3 ZnO的其他性质及应用

1.3.1紫外探测器

1.3.2压敏特性

1.3.3 ZnO发光二极管

1.3.4作为GaN的缓冲层

1.4 ZnO的研究现状及前景

1.5薄膜制备技术概论

1.5.1 脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)

1.5.2喷涂热分解(Spray Pyrolysis)

1.5.3分子束外延(MBE)

1.5.4溶胶-凝胶(Sol-Gel)

1.5.5金属有机物化学气相沉积(MOCVD)

1.5.6 电子束反应蒸镀法(Reactive Electron Beam Evaporation)

1.5.7磁控溅射法

2 ZnO薄膜的制备及分析方法

2.1 ZnO薄膜制备方法

2.1.1 PLD法制备ZnO薄膜的基本原理

2.1.2 PLD方法的特点

2.2.3实验设备简介

2.2薄膜的分析方法

2.2.1 X射线衍射(XRD)

2.2.2透射光谱测量

2.2.3光致荧光光谱(PL)

2.2.4霍尔效应(Hall)

3 不同沉积温度下蓝宝石基片上ZnO薄膜的制备及表征

3.1 ZnO薄膜的制备及分析方法

3.1.1 ZnO薄膜的制备过程

3.1.2 ZnO薄膜的结晶特性研究和光电性能分析

3.2实验结果与分析

3.2.1沉积温度对ZnO薄膜结晶质量的影响

3.2.2沉积温度对ZnO薄膜光电性能的影响

3.2.3 ZnO薄膜的低温光谱分析

3.3本章小结

4不同沉积温度下Si基片上ZnO薄膜的制备及表征

4.1 引言

4.2沉积温度对ZnO薄膜结构的影响

4.2.1 ZnO薄膜的结构特性

4.2.2 ZnO薄膜的表面形貌

4.3沉积温度对ZnO薄膜光电性能的影响

4.4本章小结

5氮化处理的蓝宝石基片上ZnO薄膜的制备及表征

5.1 引言

5.2氮化处理的蓝宝石基片上ZnO薄膜的晶体结构

5.3氮化处理的蓝宝石基片上ZnO薄膜的光谱研究

5.3.1 ZnO薄膜的透射光谱研究

5.3.2 ZnO薄膜的PL光谱研究

5.4氮化处理的蓝宝石基片上ZnO薄膜的电学性能研究

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢