脉冲激光沉积法生长ZnMgO/ZnO多层结构以及ZnMgO薄膜P型掺杂的研究

摘要

ZnO是直接宽禁带半导体材料(3.37eV)，在室温下具有高的激子束缚能(60meV)，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Zn1-xMgxO薄膜在保持纤锌矿结构不变的前提下能够调节带隙在3.3～4.5eV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多层量子阱结构，可以提高器件的发光效率，调制器件的发光特性。另外，P型Zn1-xMgxO薄膜的引入可以进一步拓宽其工作波长。因此，开展ZnMgO/ZnO多层结构生长及Zn1-xMgxO薄膜P型掺杂的研究具有非常重要的意义。 本文在总结了Zn1-xMgxO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Zn1-xMgxO薄膜及ZnMgO/ZnO多层结构，并通过Li掺杂来制备P型Zn0.9Mg0.1O薄膜。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Zn1-xMgxO薄膜。系统研究了工艺参数对Zn1-xMgxO薄膜质量的影响，获得了生长Zn1-xMgxO薄膜的最佳工艺参数。 2.采用PLD技术通过引入低温ZnO缓冲层来改善硅基Zn1-xMgxO薄膜的晶体质量及表面形貌。XRD测试结果表明，Zn1-xMgxO(002)峰的半高宽仅为0.183°，而AFM测试结果则发现，引入低温ZnO缓冲层后，薄膜的表面粗糙度进一步降低，其RMS值为3.68nm。 3.首次尝试采用PLD技术以低温ZnO作为缓冲层在Si(111)衬底上生长ZnMgO/ZnO多层薄膜结构。SIMS测试表明，Mg含量周期性振荡且形成陡峭分布，意味着Mg在层间扩散较小。PL谱测试则发现，随着生长周期的增加、薄膜厚度的减小，ZnO发光峰的强度增加而ZnMgO发光峰的强度减弱直至消失，并分析了可能的原因。 4.首次采用PLD技术通过Li掺杂实现了Zn0.9Mg0.1O薄膜的P型导电，研究了衬底温度、氧压及Li含量对薄膜质量、电学性能和光学性能的影响。Hall测试结果表明，Li含量为0.4at％、衬底温度为550℃、氧压为20Pa的生长条件下获得了最低电阻率为10.1Ωcm；PL谱中则观察到了紫外发光峰，相对于同样条件下生长ZnO的发光峰发生了明显的蓝移，说明Mg的有效掺入增加了带宽。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

第二章 文献综述

第三章 实验原理和实验过程

第四章 生长参数对Si(111)衬底上生长Zn1-xMgxO薄膜的影响

第五章 Si(111)衬底上生长ZnMgO/ZnO多层薄膜

第六章 Zn1-xMgxO薄膜的P型掺杂

第七章结论

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文