脉冲激光沉积法制备的ZnO薄膜的电抽运随机激射

摘要

ZnO是一种宽禁带(3.37eV)，高激子束缚能(60meV)的直接带隙半导体，且具有较高的光增益系数和折射率，被认为是制备紫外随机激光器的理想材料。ZnO薄膜的光抽运随机激射在1998年就被报道，而其电抽运随机激射直到近年来才被实现。以金属-绝缘体-半导体(MIS)器件结构实现ZnO薄膜的电抽运随机激射时，其性能与作为发光层的半导体薄膜以及绝缘层薄膜的性能有关，而薄膜的性能则在相当程度上取决于薄膜的制备方法。本文采用脉冲激光沉积(PLD)法制备了作为发光层的ZnO薄膜、作为绝缘层的Si3N4薄膜和MgO薄膜，并制备了基于上述薄膜的MIS器件。在此基础上，研究了这些器件的电抽运紫外随机激射，取得了如下主要结果:
　　(1)采用PLD法以不同工艺参数在硅衬底上制备ZnO薄膜，研究了激光波长、衬底温度、氧分压对ZnO薄膜形貌和光致发光等的影响。研究表明:使用Nd:YAG激光器355nm波长激光制备的ZnO薄膜最为致密平整，而提高衬底温度和氧分压可以减少薄膜中的缺陷。
　　(2)分别采用直流反应和射频磁控溅射法以及PLD法在硅衬底上制备ZnO薄膜，并制备成相应的MIS器件。实验表明，以PLD法制备的ZnO薄膜为发光层的器件具有最低的紫外光随机激射阈值电流和最高的输出光功率。这是由于PLD法制备的ZnO薄膜中缺陷最少，从而显著减少了紫外光在光散射过程中的光损耗。
　　(3)利用PLD法制备作为绝缘层的Si3N4薄膜，在硅衬底上制备了结构为Au/Si3N4/ZnO的MIS器件。实验表明:提高制备Si3N4薄膜时的衬底温度有利于降低器件的电抽运随机激射阈值电流和提高出光功率。
　　(4)利用PLD法制备作为绝缘层的MgO薄膜，在硅衬底上制备了结构为Au/MgO/ZnO的MIS器件。研究表明:器件在足够的正向偏压下可产生电抽运紫外随机激射。此外，用PLD法在硅衬底上连续生长ZnO和MgO薄膜，制备的MIS器件在较低的电流下即可产生随机激射。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

第二章 文献综述—ZnO薄膜及其材料与器件的随机激射研究现状与进展

2．1 引言

2．2 ZnO的基本性质

2．2．1 ZnO的晶体结构

2．2．2 ZnO的能带结构

2．2．3 ZnO的电学特性

2．2．4 ZnO的光学特性

2．2．5 ZnO的其他特性

2．3 ZnO薄膜的制备方法

2．3．1 脉冲激光沉积法

2．3．2 溅射法

2．3．3 溶胶凝胶法

2．3．4 化学气相沉积法

2．3．5 分子束外延生长法

2．4 ZnO随机激射

2．4．1 随机激射的特性概述

2．4．2 ZnO光抽运随机激光

2．4．3 ZnO电抽运随机激射器件

2．5 小结

第三章 材料制备技术与测试方法

3．1 脉冲激光沉积制备技术

3．1．1 脉冲激光沉积制备技术原理

3．1．2 脉冲激光沉积设备

3．2 其他材料与器件制备技术

3．2．1 直流反应磁控溅射设备

3．2．2 射频反应磁控溅射设备

3．2．3 材料热处理设备

3．2．4 旋涂设备

3．3 材料、器件测试设备

3．3．1 扫描电子显微镜

3．3．2 X射线衍射仪

3．3．3 X射线光电子能谱仪

3．3．4 光吸收谱测量仪

3．3．5 室温光致发光／电致发光测试系统

第四章 PLD法工艺参数对ZnO薄膜及其器件电抽运随机激射的影响

4．1 引言

4．2 MIS器件结构与制备

4．3 激光波长对ZnO薄膜形貌的影响

4．4 衬底温度对ZnO薄膜形貌结构和发光性能的影响

4．4．1 不同衬底温度对ZnO薄膜形貌的影响

4．4．2 不同衬底温度对ZnO薄膜结构的影响

4．4．3 不同衬底温度对ZnO薄膜室温光致发光的影响

4．4．4 不同衬底温度对ZnO薄膜为发光层的MIS器件电致发光性能的影响

4．5 氧分压对ZnO薄膜发光性能的影响

4．5．1 不同氧分压对ZnO薄膜室温光致发光性能的影响

4．5．2 不同氧分压对ZnO薄膜为发光层的MIS器件电致发光性能的影响

4．6 总结

第五章 不同方法制备ZnO薄膜及其对ZnO器件电抽运随机激射的影响

5．1 引言

5．2 MIS器件结构与制备

5．3 ZnO薄膜表征

5．3．1 ZnO薄膜形貌

5．3．2 ZnO薄膜结构

5．3．3 ZnO薄膜室温光致发光

5．4 ZnO的MIS器件电致发光

5．4．1 ZnO-MIS器件的室温EL谱

5．4．2 ZnO-MIS器件的光功率

5．5 ZnO-MIS器件产生受激辐射的物理机制

5．6 以不同方法制备的ZnO薄膜为发光层的MIS结构器件电抽运随机激射性能分析

5．7 小结

第六章 PLD法制备绝缘体薄膜及其在ZnO电抽运随机激射器件中的应用

6．1 引言

6．2 MIS器件结构与制备

6．2．1 Si3N4薄膜表征

6．2．2 Si3N4对ZnO薄膜紫外室温光致发光的增强作用

6．2．3 ZnO(直流反应溅射)／ Si3N4／Au器件的电抽运随机激射

6．2．4 ZnO(PLD)／Si3N4／Au器件的电抽运随机激射

6．3 PLD法制备MgO薄膜及其在ZnO电抽运随机激射器件中的应用

6．3．1 ZnO(直流反应溅射)／MgO／Au器件的电抽运随机激射

6．3．2 ZnO(PLD)／MgO／Au器件的电抽运随机激射

6．4 小结

第七章 总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文