脉冲激光沉积ZnO薄膜的工艺及其性能的研究

论文摘要

随着信息时代的到来，人们对短波长发光器件的需求日益增长，因此人们对宽禁带直接带隙半导体的研究产生了极大的兴趣。氧化锌（ZnO）是一种宽禁带直接带隙（室温下3.37eV）Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，室温下激子束缚能60meV，理论上可实现室温下的紫外受激辐射，在紫外发射器件、紫外激光器件等领域具有广阔的应用前景。ZnO薄膜的制作方法很多，溅射法、真空蒸镀、分子束外延、脉冲激光沉积、化学气相沉积、原子层外延、喷雾热分解、溶胶凝胶、锌膜氧化法等。脉冲激光沉积是近年来发展起来的先进的薄膜生长技术，与其他方法相比，脉冲激光沉积法对获得高质量的氧化物薄膜更加有效，因为它具有简单的结构且操作方便，可以通过调节激光能量、激光频率等来控制薄膜的原子层厚度。脉冲激光沉积ZnO薄膜是在高真空背景下用高能激光烧蚀ZnO靶材生成蒸发物沉积在加热衬底上生长晶体薄膜。本文用脉冲激光沉积方法以ZnO陶瓷为靶材，在Si（111）衬底上生长ZnO薄膜，讨论了氧分压、衬底温度、脉冲能量、退火等条件对ZnO薄膜特性的影响；用X射线衍射（XRD）对薄膜的结晶质量进行了分析；用扫描电子显微镜（SEM）对薄膜的表面形貌进行了表征；荧光光致发光谱（PL）对薄膜的发光特性进行了研究，用椭偏膜厚仪对薄膜的膜厚进行了测量。通过对ZnO薄膜的结构和发光特性的研究，分析了生长参数对薄膜特性的影响，找到了生长薄膜的优化条件，得到了高度c轴（002）取向的结晶质量较高的ZnO薄膜。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO材料的基本性质
• 1.2.1 ZnO的结构性质
• 1.2.2 ZnO的能带结构
• 1.2.3 ZnO的缺陷与掺杂
• 1.2.4 ZnO的光学性质
• 1.3 ZnO薄膜的主要应用
• 1.3.1 表面声波器件
• 1.3.2 太阳能电池
• 1.3.3 传感器
• 1.3.4 GaN缓冲层
• 1.3.5 紫外探测器
• 1.3.6 ZnO发光二极管（LEDs）和激光二极管（LDs）
• 1.4 ZnO薄膜的制备方法
• 1.4.1 溅射法（sputtering）
• 1.4.2 分子束外延（MBE）
• 1.4.3 脉冲激光沉积方法（PLD）
• 1.4.4 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
• 1.5 脉冲激光沉积方法
• 1.5.1 脉冲激光沉积方法研究现状
• 1.5.2 脉冲激光沉积方法基本原理
• 1.5.3 脉冲激光沉积方法的优、缺点
• 1.6 ZnO材料的研究热点
• 第2章 实验设计
• 2.1 实验设备概述
• 2.2 实验材料的准备
• 2.2.1 衬底的选择及预处理
• 2.2.2 靶材
• 2.3 实验参数选择
• 2.3.1 氧分压
• 2.3.2 衬底温度
• 2.3.3 脉冲能量
• 2.3.4 退火
• 2.4 实验过程
• 2.5 测试手段概述
• 2.5.1 结构分析——X射线衍射（XRD）
• 2.5.2 形貌分析——扫描电子显微镜（SEM）
• 2.5.3 发光分析——光致发光谱（PL）
• 2.5.4 膜厚分析——椭偏膜厚仪
• 第3章 实验结果分析
• 3.1 氧分压对ZnO薄膜的影响
• 3.1.1 氧分压对ZnO薄膜结构的影响
• 3.1.2 氧分压对ZnO薄膜形貌的影响
• 3.1.3 氧分压对ZnO薄膜发光性能的影响
• 3.1.4 氧分压对ZnO薄膜厚度的影响
• 3.2 衬底温度对ZnO薄膜的影响
• 3.2.1 衬底温度对ZnO薄膜结构的影响
• 3.2.2 衬底温度对ZnO薄膜形貌的影响
• 3.2.3 衬底温度对ZnO薄膜发光性能的影响
• 3.2.4 衬底温度对ZnO薄膜厚度的影响
• 3.3 脉冲能量对ZnO薄膜的影响
• 3.3.1 脉冲能量对ZnO薄膜结构的影响
• 3.3.2 脉冲能量对ZnO薄膜形貌的影响
• 3.3.3 脉冲能量对ZnO薄膜发光性能的影响
• 3.3.4 脉冲能量对ZnO薄膜厚度的影响
• 3.4 退火对ZnO薄膜的影响
• 3.4.1 退火对ZnO薄膜结构的影响
• 3.4.2 退火对ZnO薄膜形貌的影响
• 3.4.3 退火对ZnO薄膜光致发光的影响
• 第4章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录:攻读硕士期间即将发表的论文