脉冲激光沉积制备ZnO薄膜及其光电性质研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种重要的宽带隙(室温下3.3 eV)Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,它的激子束缚能高达60 meV,远大于GaN的25 meV和ZnSe的22 haeV.ZnO具有六方纤锌矿结构,晶格常数a=0.3249nm,c=0.5206 nm.ZnO薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且易于与多种半导体材料实现集成化.这些优异的性质,使其具有了广泛的用途,如表面声波器件、平面光波导,透明电极,紫外光探测器、压电器件、压敏器件、紫外发光器件、气敏传感器等.在短波区域,ZnO可用于制造紫外发光器件和紫外激光器,对于提高光记录密度及光信息的存取速度起着非常重要的作用.目前,有关氧化锌的光学特性研究部分集中在氧化锌的紫外激光发射和可见发光机制方面.紫外发射被公认为是激子的复合发光,而可见发射的机制仍在争论当中,一般认为是有缺陷能级产生的跃迁发射.它包括:O空位,Zn空位,O填隙,Zn填隙和反氧位等. 制备ZnO薄膜的主要方法有:磁控溅射、金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积、分子束外延、电子束蒸发沉积、喷雾热分解、溶胶.凝胶法、薄膜氧化法等.在这些方法中,脉冲激光沉积(PLD)技术是近几年发展起来的先进的薄膜生长技术.用PLD方法制备ZnO薄膜的优点是:生长条件易于控制,生长温度底,成膜质量高等.我们采用脉冲激光沉积方法制备出c轴择优取向的ZnO薄膜.讨论了薄膜的择优定向生长过程、特点及影响因素.在最佳条件下可以得到均匀、致密、有良好的c轴取向性、可见光波段透明性好、有较好的发光特性等优点的薄膜.本论文的主要研究内容和得到的结论如下: 1.通过PLD方法在Si(111),石英,蓝宝石衬底上成功的制备了C轴取向的ZnO薄膜,分析得出蓝宝石衬底是较好的生长衬底材料. 2.通过XRD,SEM,AFM及光致发光谱分析了衬底温度对薄膜生长品质的影响,发现400-500℃在各种衬底上能制备结晶较好、表面晶粒均匀、紫外发射较强的ZnO单晶薄膜. 3.在生长氛围氧压0.13 Pa,衬底温度400℃,在不同的激光能量下制备ZnO薄膜.发现在约200 mJ的激光能量下能得到品质较好的薄膜. 4.在不同的氧氛围压力(O.1-60 mTorr)制备薄膜时,发现薄膜的晶化和发光的最优点并没有出现在一个氧压点上.分析发现XRD与PL谱对晶体结构的敏感程度是不同的.影响PL谱的主要因素是晶体的点缺陷,如氧空位和锌填隙.而XRD对晶格缺陷如位错、晶粒边界和晶粒取向等更敏感一些. 5.对制备的薄膜在氮气,氧气和真空中进行了退火处理.对比分析了不同的退火氛围对薄膜结构和光致发光的影响.发现退火能提高薄膜的结晶和紫外发射,但在不同的氛围中退火,薄膜拥有的缺陷类型也不同.其中在氧气中退火有最好的结晶,最小的表面和点缺陷. 6.通过对不同的条件制备的薄膜的光致发光谱分析发现:位于460 nm蓝光发射起源于电子从施主缺陷能级Zn填隙到Zn空位产生的受主能级之间的跃迁. 7.用粉末ZnO靶同陶瓷ZnO靶对比生长ZnO薄膜,发现在同样条件下,用陶瓷靶成膜的最佳温度是400℃,而用粉末靶的最佳温度为700℃,说明粉末靶的成膜效率远不及陶瓷靶.

目录

文摘

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第一章引言

1.1 ZnO研究的历史和现状

1.2 ZnO的结构和特性

1.2.1 ZnO的晶体结构

1.2.2 ZnO的能带

1.3 ZnO的主要应用

1.3.1 ZnO发光特性的应用

1.3.2 ZnO电子特性的应用

1.3.3透明光电特性的应用

1.3.4 ZnO与CaN互作缓冲层

1.4 ZnO的缺陷

1.5论文选题的依据

参考文献

第二章ZnO薄膜的制备与表征

2.1 ZnO薄膜的生长方法

2.2脉冲激光沉积制备ZnO薄膜原理及特点

2.2.1沉积原理

2.2.2 PLD方法中影响薄膜生长的因素

2.2.3 PLD方法的特点

2.2.4实验设备

2.3退火设备简介

2.4薄膜的主要表征方法

参考文献

第三章温度对在蓝宝石衬底上用PLD方法制备ZnO薄膜的结构和光学特性的 影响

3.1实验方法

3.2实验结果和讨论

3.2.1 ZnO薄膜的结构特性

3.2.2薄膜的表面形貌

3.2.3 ZnO薄膜的XPS研究

3.2.4 ZnO薄膜的拉曼光谱研究

3.2.5 ZnO薄膜的光致发光谱(PL谱)

3.3 小结

参考文献

第四章脉冲激光沉积法在不同的氧氛围压力中制备ZnO薄膜特性研究

4.1实验方法

4.2实验结果和讨论

4.2.1结构特性

4.2.2光学透过率谱

4.2.3拉曼散射谱分析

4.2.4电子特性分析

4.2.5光致发光谱研究

4.2.6 ZnO等离子体传输动力学讨论

4.3小结

参考文献

第五章在N2中退火对ZnO薄膜的结构和发光特性的影响

5.1实验方法

5.2实验结果和讨论

5.2.1结构特性

5.2.2 SEM和TEM观察

5.2.3光致发光谱

5.2.4电阻率的测量

5.2.5傅里叶红外吸收谱分析

5.3本章小结

参考文献

第六章退火氛围对退火后ZnO薄膜的结构和光致发光影响研究

6.1实验方法

6.2实验结果和讨论

6.2.1结构特性和表面形貌分析

6.2.2 XPS分析

6.2.3拉曼分析

6.2.4光致发光谱(PL)研究

6.3本章小结

参考文献

第七章不同的ZnO靶对薄膜结构和光学特性的影响

7.1实验方法

7.2实验结果和讨论

7.2.1 ZnO靶的结构特性

7.2.2ZnO薄膜的结构特征

7.2.3 ZnO薄膜的吸收谱分析

7.2.4光致发光谱分析

7.2.5用不同的靶制备ZnO薄膜的机制的讨论

7.3本章小结

参考文献

第八章结论

8.1主要结果

8.1.1薄膜的结构性质

8.1.2生长温度对薄膜结构和光学特性的影响

8.1.3生长气压对薄膜特性的影响

8.1.4在氮气中退火对薄膜结构和特性的影响

8.1.5不同的退火氛围对ZnO薄膜特性的影响

8.1.6不同的ZnO靶制备ZnO薄膜的对比研究

8.2主要创新点

致谢

博士期间完成及发表的文章