非极性ZnO基单晶薄膜的制备及ZnO/ZnMgO异质结构的性能研究

摘要

基于ZnO的特性（直接带隙半导体，禁带宽度3.37eV，激子束缚能60meV），其被认为有望成为新一代的光电器件材料。ZnO的“能带工程”是指通过合金化对其进行能带裁剪，并在此基础上制备高质量的量子阱结构，它是实现ZnO光电应用的重要基础。然而，通常情况下ZnO沿极性c轴方向择优生长，这会使其受到自发极化和诱导极化的影响，由此产生的内建电场将使多量子阱结构的内量子效率降低、发光波长红移，从而对器件性能造成不利影响。为消除上述不利影响，我们的工作重点将致力于非极性a面ZnO基单晶薄膜的制备及其异质结构的性能研究。主要包括高质量、带隙可调的Zn1-xMgxO薄膜的制备，ZnO/Zn1-xMgxO异质结能带带阶的测定，ZnO/Zn1-xMgxO多量子阱光学性能的研究以及GaN缓冲层对ZnO薄膜晶体质量的提升。获得的主要研究成果如下:
　　1.采用射频等离子体辅助分子束外延（P-MBE）技术，通过优化生长参数，在r面蓝宝石上外廷得到非极性a面Zn1-xMgxO合金薄膜。(1120)面摇摆曲线半高宽(FWHM)为1300～2000arcsec，(1011)面FWHM为1600～1900arcsec;所有薄膜表面原子级平整，均方根粗糙度都小于1 nm。通过改变薄膜中Mg组分从0增大至16％实现室温光致发光(PL)峰位从3.29eV至3.63eV可调。研究发现随Mg含量的增加薄膜更倾向于a面择优生长。
　　2.采用X射线光电子谱(XPS)芯能级技术研究了Mg含量对非极性a面ZnO/Zn1-xMgxO异质结能带带阶的影响。不同Mg组分下异质结均表现为I型能带结构。发现a面Zn1-xMgxO的能带展宽主要发生在导带。相对于极性异质结，非极性异质结具有更小的价带带阶△EV和更大的导带带阶△EC，这种能带结构有利于对其进行高效的p型掺杂。
　　3.采用P-MBE技术在r面蓝宝石上获得了单一非极性取向、表面平整且界面陡峭的a面ZnO/Zn1-xMgxO多量子阱。通过PL测试研究了量子阱的光学特性，发现在室温和低温下多量子阱均显示出明显的量子约束效应。变温PL谱揭示了非极性量子阱中的激子局域化现象，认为这种现象与阱层中因界面起伏导致的“势谷”有关。通过改变阱层宽度和垒层高度，发现随阱宽减小或垒高增加，量子阱的量子约束效应逐渐增强，其发光峰位可在大范围内进行调节。相对于c面多量子阱，a面多量子阱在阱宽增大时能有效避免量子限域斯达克效应。垒层中Mg含量的增加则能有效提高量子阱中载流子的注入效率。
　　4.引入原位生长的GaN缓冲层，结合激光分子束外延(L-MBE)和P-MBE技术，显著改善了非极性a面ZnO薄膜的晶体质量。优化生长参数后，薄膜各项指标均达到了国际领先水平:室温电子迁移率为39.8cm2V-1s-1，(1011)面摇摆曲线FWHM仅159arcsec，室温PL谱未出现深能级发射。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第二章 文献综述

2．1 ZnO的晶体结构

2．2 ZnO的基本形态

2．2．1 ZnO体单晶

2．2．2 ZnO纳米结构

2．2．3 ZnO薄膜

2．3 ZnO的物理特性

2．3．1 ZnO的基本性质

2．3．2 ZnO的光学性质

2．3．3 ZnO的电学性质

2．4 ZnO的能带工程

2．4．1 ZnO的能带结构

2．4．2 ZnO的合金化

2．4．3 Zn1-xMgxO合金

2．4．4 Zn1-xBexO合金

2．4．4 Zn1-xCdxO合企

2．5 ZnO基量子阱结构

2．5．1 量子阱的基本概念

2．5．2 量子阱的物理效应

2．5．3 ZnO量子阱的研究及应用

2．6 非极性ZnO薄膜及相关研究进展

2．6．1 非极性ZnO薄膜的研究意义

2．6．2 非极性ZnO薄膜的制备方法

2．6．3 非极性ZnO薄膜的特性及研究进展

2．6．4 非极性zn1-xMgxO薄膜及ZnO／Zn1-xMgxO量子阱的研究进展

2．7 本文的研究思路

第三章 实验原理、生长工艺及表征手段

3．1 实验设备

3．1．1 MBE的工作原理

3．1．2 MBE的技术优势

3．1．3 MBE的设备构造

3．2 实验原料及生长工艺

3．2．1 实验原料

3．2．2 衬底的选择及清洗

3．2．3 生长工艺

3．3 表征手段

第四章 非极性a面Zn1-xMgxO薄膜的外延生长及性能研究

4．1 非极性a面Zn1-xMgxO薄膜外延生长参数的优化

4．1．1 生长温度对a面Zn1-xMgxO薄膜性能的影响

4．1．2 氧气流量对a面Zn1-xMgxO薄膜性能的影响

4．1．3 缓冲层厚度对a面Zn1-xMgxO尊膜性能的影响

4．2 不同Mg含量a面Zn1-xMgxO薄膜的性能研究

4．2．1 不同Mg组分a面Zn1-xMgxO薄膜的晶体质量

4．2．2 不同Mg组分a面Zn1-xMgxO薄膜的表面形貌

4．2．3 不同Mg组分a面Zn1-xMgxO薄膜的光电性能

4．3 本章小结

第五章 非极性a面ZnO／Zn1-xMgxO异质结能带带阶的研究

5．1 能带带阶的测试方法

5．2 a面ZnO／Zn1-xMgxO异质结的制备

5．3 a面ZnO／Zn1-xMgxO异质结能带带阶的测定

5．4 本章小结

第六章 非极性a面ZnO／Zn1-xMgxO多量子阱性能的研究

6．1 a面ZaO／Zn1-xMgxO多量子阱的制备

6．2 a面ZnO／Zn1-xMgxO多量子阱的澈子局域化效应

6．3 阱层宽度对a面ZnO／Zn1-xMgxO多量子阱光学性能的影响

6．4 垒层Mg含量对a面ZnO／Zn1-xMgxO多量子阱光学性能的影响

6．5 本章小结

第七章 GaN缓冲层提高a面ZnO薄膜晶体质量的研究

7．1 GaN缓冲层的制备及表征

7．2 GaN缓冲层工艺对a面ZnO薄膜性能的影响

7．2．1 GaN襞冲层厚度对a面ZnO性能的影响

7．2．2 GaN缓冲层生长温度对a面ZnO性能的影响

7．3 经过优化工艺生长的a面ZnO薄膜

7．4 本章小结

第八章 结论

8．1 全文总结

8．2 主要创新点

8．3 工作展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间发表的论文和取得的其他科研成果