P-MBE法生长ZnMgO合金薄膜及其异质结构的性能研究

摘要

ZnO作为一种直接禁带半导体材料，具有3.37 eV的禁带宽度以及60 meV的激子束缚能，在短波长光电器件中具有非常大的应用潜力。ZnO基光电器件应用的一个关键问题是实现能带裁剪从而制备量子阱结构，即能带工程。ZnMgO合金薄膜禁带宽度可以大范围调节，且其晶格常数变化不大，因此是开展ZnO能带工程的首选材料之一。为了实现ZnMgO合金在光电器件和量子阱中的应用，首先要制备优质的ZnMgO单晶薄膜和ZnO/ZnMgO多量子阱结构。同时，异质结是构成量子阱和超晶格的基础，要实现高效的载流子注入和限域作用，异质结界面能带结构的测定和设计至关重要。
　　鉴于上述情况，我们开展了高晶体质量、低缺陷密度的ZnMgO单晶薄膜生长研究;在此基础上，研究Mg组分和生长取向对ZnMgO/ZnO异质结界面能带偏移的影响;最后采用P-MBE法制备了ZnO/ZnMgO量子阱结构，通过光致发光谱研究其光学性能。本文的主要研究内容和结论为:
　　1.采用射频等离子体辅助分子束外延(P-MBE)技术在c面蓝宝石衬底上生长了优质的ZnMgO单晶薄膜。通过引入MgO缓冲层技术，ZnMgO合金薄膜室温电子迁移率达到了66 cm2V-1s-1，高分辨XRD摇摆曲线(002)面半峰宽仅47arcsec，螺型位错密度降低至4×106 cm-2，显著提高了其晶体质量。
　　2.采用光电子能谱法测定了Zn1-xMgxO/ZnO异质结的能带带阶。Zn1-xMgO/ZnO异质结的界面能带排列为type-Ⅰ型结构，其导带带阶和价带带阶比值ΔEC/ΔEV分别为1.5(x=0.1)，1.8(x=0.15),2.0(x=0.2)。这说明Zn1-xMgO/ZnO异质结中能带带阶的偏移量和比值与Mg组分密切相关。
　　3.采用脉冲激光沉积法在c面和r面蓝宝石衬底上制备了极性和非极性取向的Na掺杂ZnMgO薄膜。Hall测试显示a面非极性取向的ZnMgO∶Na薄膜呈现p型导电信号，空穴浓度为3.5×1016 cm-3，而c面极性取向薄膜的导电类型为补偿型导电。为了探索p型导电机理，我们研究了不同生长取向ZnMgO/ZnO异质结的能带结构。极性和非极性异质结的价带偏移量分别为0.07 eV和0.02 eV，能带结构均为type-Ⅰ型，极性ZnMgO/ZnO异质结中的自发极化效应是造成两种异质结能带带阶值差别的主要原因。我们认为，非极性ZnMgO相对于极性价带下移量更小，导致NaZn受主能级变浅，且导带上移量更大引起施主能级变深，这两者的综合作用是非极性ZnMgO∶Na薄膜中p型导电的来源。
　　4.采用P-MBE技术在蓝宝石衬底上制备了一系列5个周期的ZnO/ZnMgO多量子阱结构。高分辨XRD测试结果表明这些量子阱具有良好的周期性结构。通过PL测试分析，量子阱在低温下可以分辨出局域激子发光峰(LE)，自由激子发光峰(FE)以及LE的多个声子伴线，同时LE的半峰宽均小于10 meV，表明了这些量子阱具有非常好的质量。随着势阱层的厚度减小或者势垒组分增加，LE发射峰不断蓝移，量子约束效应增强。
　　5.通过比较不同Mg组分的ZnO/Zn1-xMgxO多量子阱结构变温PL谱发现，高组分势垒层的多量子阱结构(MQWs)中局域激子发光峰位随温度升高呈现S型变化，而低组分中LE则随温度升高单调红移。S型变化是由于高组分势垒中激子的局域化效应引起的，随着温度升高，激子逐渐去局域化转为自由激子。通过分析变温PL变化规律，不同势垒组分量子阱中的激子束缚能分别为64 meV(x=0.1)和76 meV(x=0.2)，证明了激子束缚能随势垒组分增大而增强。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第二章 文献综述

2．1 ZnO的基本性质

2．1．1 ZnO的晶体结构

2．1．2 ZnO的基车物理性质

2．1．3 ZnO的能带结构

2．1．4 ZnO的光学性质

2．1．5 ZnO的电学性质

2．2 ZnO基材料的P型掺杂

2．3 ZnO基材料的“能带工程”

2．3．1 ZnMgO合金半导体

2．3．2 ZnCdO合金半导体

2．3．3 ZnBeO合金半导体

2．4 半导体异质结、量子阱与超晶格结构的基本性质

2．4．1 异质结、量子阱与超晶格的基本概念

2．4．2 量子阱中的物理效应

2．4．3 量子阱的制备方法

2．5 ZnO基量子阱结构的应用及研究进展

2．5．1 半导体发光二极管

2．5．2 量子阱激光器

2．6 本文实验思路

第三章 实验原理、生长工艺和表征手段

3．1 分子束外廷技术概述

3．2 SVTA等离子体和激光辅助分子束外延设备

3．3 实验工艺过程

3．3．1 源材料的选择

3．3．2 衬底选择及其清洗方法

3．3．3 具体生长工艺

3．4 常用性能表征

第四章 c面蓝宝石上外延生长ZnMgO合金薄膜

4．1 MgO缓冲层工艺参数对Zn1-xMgxO合金薄膜的影响

4．1．1 缓冲层生长温度对Zn1-xMgxO薄膜性能影响

4．1．2 缓冲层Mg源温度对Zn1-xMgxO薄膜性能影响

4．1．3 经过优化工艺生长的Zn1-xMgxO单晶薄膜

4．2 不同Mg含量对Zn1-xMgxO薄膜性能影响

4．3 本章小结

第五章 Zn1-xMgxO／ZnO异质结能带结构研究

5．1 能带带阶测量方法

5．1．1 光电子能谱测试ZnMgO／ZnO能带带阶的原理和方法

5．2 Mg组分对Zn1-xMgxO／ZnO异质结导带和价带边移动的影响

5．3 生长取向对Na掺杂ZnMgO薄膜中P型性能的影响

5．3．1 样品的制备

5．3．2 不同生长取向的Zn0．87Mg0．13O／ZnO异质结能带偏移研究

5．4 本章小结

第六章 Zn1-xMgxO／ZnO量子阱结构的制备及光学性能研究

6．1 Zn1-xMgxO／ZnO量子阱的制备

6．2 阱层宽度对Zn0．9Mg0．1O／ZnO光学性能的影响

6．3 激子束缚能的增加

6．4 垒层高度对Zn1-xMgxO／ZnO多量子阱结构光学性能的影响

6．5 本章小结

第七章 总结

7．1 全文总结

7．2 本文主要创新点

7．3 未来工作展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读博士学位期间发表的论文与取得的其它研究成果