PLD方法制备ZnO、ZnMgO薄膜及ZnMgO/ZnO量子阱结构的研究

摘要

ZnO是直接宽禁带半导体材料(禁带宽度为3.37 eV),在室温下有很高的激子束缚能(60 meV),外延生长温度低,抗辐射能力强,在短波发光二极管、半导体激光器和紫外探测器等领域具有广阔的应用前景.通过改变ZnO中Mg的掺入量,让Mg取代Zn的位置,所形成的Zn<,1-x>Mg<,x>O薄膜在保持纤锌矿结构不变的前提下能够调节带隙在3.3～4.5 eV之间变化,而且可以和ZnO形成较好的晶格匹配.通过在光电器件中建立ZnMgO/ZnO多量子阱结构,可以提高器件的发光效率,调制器件的发光特性. 本文在总结了ZnO薄膜及其器件研究现状的基础上,利用脉冲激光沉积(PLD)技术在Si(111)衬底上生长ZnO、Zn<,1-x>Mg<,x>O薄膜及ZnMgO/ZnO量子阱结构.主要的研究工作如下: 1.采用PLD技术在Si(111)衬底上,生长出了具有良好晶体质量完全C轴取向的ZnO薄膜.系统研究了工艺参数对薄膜质量的影响,获得了生长ZnO薄膜的最佳工艺参数. 2.采用PLD技术在Si(111)衬底上,用Zn<,0.9>Mg<0.1>O靶材,生长出了具有良好晶体质量、完全C轴取向的纤锌矿结构的Zn<,1-x>Mg<,x>O薄膜.摸索了Zn<,1-x>Mg<,x>O薄膜的最佳生长条件.并探讨了Mg的掺入对ZnO薄膜能带展宽的影响. 3.利用PLD技术在Si(111)衬底上,生长了ZnMgO/ZnO单量子阱结构.室温PL谱测试表明,阱宽为4nm的单量子阱结构,相对于单层ZnO薄膜而言,发光峰蓝移了40 meV,取得了良好的量子限制效应. 4.利用脉冲激光沉积(PLD)系统在Si(111)衬底上,生长10个周期的ZnMgO/ZnO多量子阱结构,阱宽为3 nm,相对于单层ZnO薄膜而言,室温PL谱发光峰蓝移了70 meV,量子限制效应更加突出.TEM的测试结果显示,多层薄膜界面均匀平整、周期结构清晰,进一步证实我们的实验条件可以获得性能良好的多层ZnMgO/ZnO量子阱结构.

目录

文摘

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第一章前言

第二章文献综述

2.1 ZnO的基本性质

2.2 ZnO的光电性能与应用

2.2.1 ZnO的能带结构

2.2.2 ZnO的光学性能

2.3 Zn1-xMgxO三元合金

2.4 ZnMgO/ZnO多层结构

2.4.1 ZnMgO/ZnO异质结、超晶格

2.4.2 ZnMgO/ZnO多量子阱

2.5本文的研究内容

第三章实验原理和实验过程

3.1脉冲激光沉积(PLD)概述

3.2 PLD的基本原理

3.3 PLD特点

3.4 PLD薄膜生长实验系统简介

3.5实验方法

3.6薄膜质量及性能表征

第四章工艺参数对Si(111)衬底上生长ZnO薄膜的影响

4.1引言

4.2衬底温度对ZnO薄膜性能的影响

4.3氧压对ZnO薄膜性能的影响

4.4激光脉冲能量对ZnO薄膜性能的影响

4.5激光重复频率对ZnO薄膜性能的影响

4.6退火对ZnO薄膜性能的影响

4.7缓冲层对ZnO薄膜性能的影响

4.8本章小结

第五章工艺参数对Si(111)衬底上生长Zn1-xMgxO薄膜的影响

5.1衬底温度对Zn1-xMgxO薄膜性能的影响

5.2氧压对Zn1-xMgxO薄膜性能的影响

5.3激光重复频率对Zn1-xMgxO薄膜表面粗糙度的影响

5.4 Zn1-xMgxO薄膜的禁带宽度

5.5本章小结

第六章Si(111)衬底上生长ZnMgO/ZnO量子阱结构

6.1引言

6.2 ZnMgO/ZnO/ZnMgO单量子阱结构

6.3 ZnMgO/ZnO/ZnMgO多量子阱结构

6.4本章小结

第七章结论

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文