PLD方法生长ZnO/ZnMgO量子阱及结构、光学性能研究

论文摘要

ZnO是一种重要的宽带隙半导体材料,与GaN的带隙宽度基本上相同,是制备紫外半导体发光器件和半导体激光器的理想材料。与GaN相比,ZnO不仅具有生长温度低、无毒、原料成本相对低廉等优点,还具有高达60 meV的激子束缚能（后者仅为24 meV）,因而获得受激发射的阈值要低得多。另一方面,ZnO还具有丰富的纳米结构,包括纳米线、纳米管、纳米带、纳米环、纳米点等等。当材料尺寸降低至量子尺度时,将出现许多不同于体材料的性能。本文采用脉冲激光沉积（PLD:pulsed laser deposition）方法进行ZnO薄膜与ZnO/ZnMgO量子阱的生长。为了探索量子阱的生长条件,我们首先研究了生长温度、氧压、缓冲层及退火处理等对制备的ZnO薄膜的形貌特征和晶体质量的影响,获得了取得平整薄膜的最佳生长参数。在此基础上,实现了ZnO/ZnMgO量子阱的可控生长,并且深入分析了其光致发光性能。现简要介绍如下:1、利用PLD方法探索了ZnO薄膜的生长工艺。本文通过改变生长温度、氧压、激光器等参数,分析了衬底温度、薄膜厚度、缓冲层、退火处理等对薄膜的形成和形貌的影响。2、探索了衬底温度的改变对ZnMgO:Al合金薄膜的结构与电学性能的影响,当生长温度为350℃获得了最低电阻率为5.6×10-4Ωcm的薄膜,分析了电阻率发生改变的原因,为今后制备调制掺杂超晶格结构打下了良好的基础。3、在最佳生长条件下,通过改变阱层厚度、势垒层厚度及组分等结构参数在Si（111）衬底上可控地制备出一系列ZnO/ZnMgO多量子阱,透射电镜（TEM）结果表明这些量子阱具有良好的周期性结构。4、通过对光致发光（photoluminescence,PL）结果分析表明,量子阱室温下的带边发光具有激子特征。随着势阱层的厚度减小,势阱层PL发射峰发生蓝移,这是量子约束（尺寸）效应。我们还从实验结果中发现,量子阱具有高于体材料的激子束缚能,并且激子束缚能随着势阱层厚度的减小而增加。5、通过对ZnO/ZnMgO单量子阱和多量子阱的PL谱随温度的变化情况发现,量子阱中的激子在低温下是“局域化”的,随着温度的上升,激子逐渐地“去局域化”转化为自由激子。本文还发现,“势谷”的深度受势阱层的厚度和势垒层的组分影响。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 半导体超晶格与量子阱结构的基本性质
• 2.1.1 量子阱中载流子的二维限制效应
• 2.1.2 量子约束斯达克效应
• 2.1.3 量子阱之间的耦合作用
• 2.1.4 量子阱中的激子
• 2.1.4.1 激子的束缚能（结合能）
• 2.1.4.2 激子的局域化效应
• 2.2 ZnO材料的"能带工程"
• 1-xMg_xO合金'>2.2.1 Zn_1-xMg_xO合金
• 1-xBe_xO合金'>2.2.2 Zn_1-xBe_xO合金
• 1-yCd_yO合金'>2.2.3 Zn_1-yCd_yO合金
• 2.3 ZnO基量子阱或超晶格的制备方法
• 2.3.1 分子束外延
• 2.3.2 脉冲激光沉积
• 2.3.3 金属有机物化学气相沉积
• 2.4 ZnO量子阱的应用
• 2.4.1 半导体激光器
• 2.4.2 半导体发光二极管
• 第三章 PLD实验原理及性能表征
• 3.1 脉冲激光沉积技术原理
• 3.1.1 激光与靶材相互作用产生等离子体
• 3.1.2 等离子体的空间传输
• 3.1.3 薄膜在衬底上沉积
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 实验设备
• 3.2.2 靶材制备
• 3.2.3 衬底及清洗
• 3.2.4 ZnO/ZnMgO量子阱的制备过程
• 3.3 性能表征
• 第四章 ZnO与ZnMgO薄膜生长及其n型掺杂的性能研究
• 4.1 影响ZnO薄膜生长的因素
• 4.1.1 生长温度
• 4.1.2 生长气氛
• 4.1.3 薄膜厚度
• 4.1.4 退火处理
• 4.1.6 缓冲层作用
• 4.1.7 ZnO薄膜的光学性质
• 1-xMg_xO合金薄膜与带隙调节'>4.2 Zn_1-xMg_xO合金薄膜与带隙调节
• 1-xMg_xO薄膜'>4.3 Al掺杂透明导电Zn_1-xMg_xO薄膜
• 4.3.1 结构性能
• 4.3.2 薄膜的组分与厚度
• 4.3.3 电学性能
• 4.3.4 光学性能
• 4.4 本章小结
• 1-xMg_xO量子阱结构生长及发光机理研究'>第五章 ZnO/Zn_1-xMg_xO量子阱结构生长及发光机理研究
• 5.1 ZnO/ZnMgO多量子阱结构的制备
• 5.2 量子约束效应
• 5.3 激子束缚能的增加
• 5.4 量子阱的宽度对PL谱的影响
• 5.5 多量子阱中势垒层的宽度对PL谱的影响
• 5.6 缓冲层的厚度对量子阱PL谱的影响
• 5.7 势垒高度对量子阱PL谱的影响
• 5.8 激子"局域化"效应
• 5.8.1 单量子阱的局域化现象
• 5.8.2 多量子阱的局域化现象
• 5.9 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 作者简历
• 期刊论文
• 专利成果