Ga辅助热氧化生长GZO薄膜及其微观结构和光致发光性能研究

摘要

作为一种重要的光电材料，ZnO的制备和发光特性一直是人们关注的焦点。其微观结构、发光性能与制备方法、生长条件密不可分。然而本征态ZnO中存在大量引起可见光发射的各类缺陷，而ZnO可见光发射的来源一直以来备受争议。此外，通过掺杂可调控ZnO的缺陷和光致发光陛能，故研究制备条件和掺杂对ZnO微观结构和光致发光性能的影响，优化具有特定发光峰的ZnO薄膜制各条件，可为进一步调控ZnO缺陷和发光特性提供实验依据。
　　本文通过在ZnS块体表面涂覆金属Ga、在MS(100W、50W)-ZnS和EBE-ZnS薄膜表面沉积Ga，进而通过热氧化生长Ga掺杂ZnO(GZO)薄膜，研究了不同热氧化条件下薄膜微观结构、表面成分和光致发光性能，探讨了ZaS块体和ZnS薄膜的热氧化过程，分析了ZnO薄膜的缺陷行为。通过实验结果分析得到以下结论：
　　氧化温度通过影响Ga掺杂量调控GZO薄膜的微观结构和光致发光性能。随着热氧化温度升高，Ga掺杂量增如，GZO薄膜紫外光发射强度增强，薄膜的结晶质量逐渐改善，紫外光与可见光强度比值增大，其中热氧化EBE-ZnS薄膜时，在750℃所得GZO薄膜具有最小的可见光与紫外光强度比值(Ivis/IUv)，薄膜的可见光发射中心随温度升高由500nm逐渐向长波长方向539nm移动。提高Ga掺杂量有效抑制了GZO薄膜中的氧空位，提高了薄膜结晶质量，进而改善了薄膜的光致发光性能。
　　氧化时间影响GZO薄膜微观结构和光致发光性能。对于热氧化块体ZnS所得的GZO薄膜，热氧化时间延长，Ga掺杂量降低，薄膜的颗粒尺寸均一性变差，薄膜的紫外光与可见光强度比减小；对于热氧化ZnS薄膜所得的GZO薄膜，热氧化时间延长，薄膜表面颗粒长大，其表面颗粒分布均匀性和致密性先高后低，氧化3h的薄膜兼具最好的致密性、均匀性和较少的裂纹，薄膜Ivis/IUv值随氧化时间延长先降低后升高，在热氧化时间为3h时最小。
　　热氧化ZnS生长GZO薄膜是一个温度控制昀扩散-反应过程。热氧化块体ZnS时，熔融态金属Ga溶解基板中的Zn和空气中的O并析出形成GZO表面层；热氧化ZnS薄膜时，金属Ga由表层向薄膜内部扩散，并对znO形成掺杂，提高表层znO薄膜的致密性，在氧化过程中引入的各种点缺陷导致GZO薄膜PL谱中可见光发射增强。六方结构的ZnS薄膜更有利于获得更高结晶质量的GZO薄膜。
　　热氧化块体ZnS生长的GZO薄膜PL谱中绿光发射主要与锌间隙和氧空位有关，而蓝光发射主要受锌空位的影响。热氧化EBE-ZnS生长的GZO薄膜PL谱中505nm发射与氧空位和锌空位有关，539nm发射与氧空位和氧间隙有关。