ZnMgO薄膜与ZnMgO/ZnO异质结的制备及其性能研究

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，对衬底没有苛刻的要求而且很易成膜，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。在保持纤锌矿结构不变的前提下通过改变ZnO中Mg的掺入量，让Mg取代Zn的位置，形成的Zn1-xMgxO薄膜的带隙可以在3.37-4.5 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异质结结构，可以提高器件的发光效率，并能拓宽其工作波长。
　　 本文采用射频磁控溅射技术在Si(100)和玻璃衬底上生长ZnO、Zn1-xMgxO薄膜以及ZnMgO/ZnO异质结结构，主要研究工作如下：
　　 1.在Si(100)和玻璃衬底上，使用射频磁控溅射技术生长了具有c轴取向且晶体质量良好的ZnO薄膜。系统研究了溅射功率，氧氩比，工作气压和衬底温度等工艺参数对薄膜质量的影响，获得了ZnO薄膜的最佳工艺参数，并探讨了工艺参数对薄膜透过率的影响。
　　 2.利用射频磁控溅射技术在Si(100)和玻璃衬底上，用系列Zn1-xMgxO(x=0-0.2)靶材，生长了具有c轴取向、晶体质量良好的Zn1-xMgxO薄膜，首先探讨了Mg的掺量对Zn1-xMgxO质量和光学性能的影响。其次着重探索了Zn0.9Mg0.1O薄膜的最佳生长条件，最后研究了溅射功率、氧氩比、工作气压和衬底温度等工艺参数对薄膜的光学性能的影响。
　　 3.首次尝试使用射频磁控溅射在Si(100)和ZnO/Si衬底生长了ZnMgO/ZnO异质结，所生长的多层薄膜晶体质量均为完全c轴取向，晶体结构良好。通过室温PL测试，在ZnMgO/ZnO异质结中分别观察到ZnO势阱层和ZnMgO势垒层的近带边发光现象。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 ZnO的结构和性能

1.1.1 ZnO的基本性质

1.1.2 ZnO的晶体结构

1.1.3 ZnO的本征缺陷

1.1.4 ZnO的光谱与能级

1.2 MgO的结构和性质

1.3 ZnMgO三元合金薄膜

1.3.1 ZnMgO三元合金的晶体结构

1.3.2 Zn1-xMgx0单层薄膜的研究现状

1.3.3 ZnMgO／ZnO异质结

1.4 ZnO与ZnMgO薄膜的制备方法

1.5课题研究内容及意义

第二章 薄膜的制备与表征

2.1薄膜的制备及磁控溅射原理

2.1.1磁控溅射原理

2.1.2实验设备主要技术参数

2.1.3 ZnO与ZnMgO薄膜的制备

2.2薄膜的表征

2.2.1结构表征

2.2.2形貌分析

2.2.3透射光谱

2.2.4光致发光谱

第三章 ZnO薄膜制备工艺的优化

3.1溅射功率对ZnO薄膜性能的影响

3.1.1溅射功率对ZnO薄膜结构的影响

3.1.2溅射功率对ZnO薄膜光学性能的影响

3.2氧氩比对ZnO薄膜性能的影响

3.2.1氧氩比对ZnO薄膜结构的影响

3.2.2氩氧比对ZnO薄膜光学性能的影响

3.3工作气压对ZnO薄膜性能的影响

3.3.1工作气压对ZnO薄膜结构的影响

3.3.2工作气压对ZnO薄膜光学性能的影响

3.4衬底温度对ZnO薄膜性能的影响

3.4.1衬底温度对ZnO薄膜结构的影响

3.4.2衬底温度对ZnO薄膜光学性能的影响

3.5本章小结

第四章Zn1-xMgxO薄膜的制备及其性能研究

4.1 Mg掺量对Zn1-xMgxO薄膜性能的影响

4.1.1结构与表面形貌表征

4.1.2透射谱分析

4.1.3光致发光谱

4.2溅射功率对Zn1-xMgxO薄膜性能的影响

4.2.1结构与表面形貌表征

4.2.2透射谱分析

4.2.3光致发光谱

4.3不同氧氩比对Zn1-xMgxO薄膜的性能的影响

4.3.1结构表征

4.3.2透射谱分析

4.3.3光致发光谱

4.4工作气压对zn1-xMgxO薄膜的性能的影响

4.4.1结构表征

4.4.2透射谱分析

4.4.3光致发光谱

4.5衬底温度对zn1-xMgxO薄膜性能的影响

4.5.1结构与表面形貌表征

4.5.2透射谱分析

4.5.3光致发光谱

4.6退火对Zn1-xMgxO薄膜性能的影响

4.7本章小结

第五章 ZnMgO／ZnO异质结的制备与表征

5.1 ZnMgO／ZnO／ZnMgO双异质结的生长

5.2 ZnO缓冲层上生长的ZnMgO／ZnO／ZnMgO异质结构

5.3本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

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