Mg0.14Zn0.86O合成半导体薄膜中激子光致发光的光谱特性研究

摘要

MgxZn1-xO合成半导体薄膜是非常理想的制备紫外波段光电器件的候选材料，它既可以作为ZnO/MgxZn1-xO量子阱和超晶格材料的势垒层，也可以直接作为紫外发光材料来使用，具有广阔的应用前景。研究和了解合成薄膜的光学特性是开发基于MgxZn1-xO半导体合成薄膜的高性能光电探测器件的基础，材料中激子的动态过程直接影响其光学特性，一般通过研究其变温光致发光光谱来探索半导体合成材料中激子的复合特性。因此,文中以Mg0.14Zn0.860外延层为样品，通过实验测量和仿真模拟研究其光致发光光谱的温度依赖性，对于新型光电器件的开发和应用具有极其重要的意义。
　　半导体中的复合过程十分复杂，有发射光子的辐射复合，也有不发射光子的非辐射复合，高能态电子可能通过各种复合过程跃迁回基态。要研究半导体的光致发光过程，必须了解其中对发光有利的复合机制。MgxZn1-xO合成材料中由于掺Mg使得带尾形成了局域态，大大增强了激子发光的概率。论文依据光致发光中激子的跃迁复合原理，设计并搭建了高精度的光致发光光谱测量系统，研究了样品中激子在不同温度下光致发光中的动态过程。经过对测量数据的处理，可以得到激子的光致发光强度谱，进而得到峰值能量和半高宽度温度依赖性曲线，利用仿真的斯托克斯位移与实验测量的峰值能量结合拟合得到样品的带隙温度特性曲线，并求得实验的斯托克斯位移，最后根据测量的峰值能量和半高宽度特性曲线对温度变化中激子的运动过程进行了分析。
　　在对光致发光过程中激子跃迁行为深入理解的基础上，设计了蒙特卡罗计算机仿真算法模拟激子在局域态间的跃迁过程。假设样品中的局域态能量分布呈高斯状态，利用双标度势能模型衡量样品中局域态的分散程度，探讨了仿真参数对结果的影响，仿真与实验的最佳拟合结果表明，样品中各单独富Mg区域的局域态能量分散度为17meV，各区域平均局域态能量之间的分散度为7meV。仿真与实验结果一致，揭示了样品光致发光光谱中斯托克斯位移的S型温度依赖性和半高宽度的W型温度依赖性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究进展

1.3论文主要工作及研究内容

2 半导体中载流子的复合过程

2.1引言

2.2复合中的重要概念

2.3半导体中的光吸收

2.4半导体中的复合机制

2.5半导体中的跃迁形式

2.6本章小结

3 样品制备技术及其特性的表征方法

3.1引言

3.2 ZnO晶体结构

3.3 MgO晶体结构

3.4能带工程

3.5半导体薄膜的生长

3.6样品特性的表征方法

3.7本章小结

4 光致发光光谱的测量系统设计及实验

4.1引言

4.2光致发光测量系统设计

4.3数据观测

4.4实验结果

4.5本章小结

5 激子在局域态间跃迁的仿真过程及结果对比

5.1引言

5.2仿真算法

5.3仿真参数的影响

5.4仿真结果与实验结果对比

5.5本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献