SSCVD制备ZnO薄膜

论文摘要

ZnO是一种宽带隙半导体材料（3．37eV），激子束缚能大（60meV），在室温下容易获得强的激子发射，可能成为紫外激光的重要材料。由于ZnO（002）晶面表面自由能最低，因此大多数技术所制备的ZnO薄膜都是沿c轴极性生长，与GaN类似，极性ZnO的发光效率比较低，因而限制了ZnO的应用。非极性ZnO可以克服这一物理现象，提高ZnO的发光效率。本文利用单源化学气相沉积（SSCVD）法，并采用一种新型固相源（ZnxOyCzHi）在Si衬底上制备非极性ZnO薄膜，主要对ZnO薄膜的生长方式、结构以及光学性质等方面进行了研究，具体内容如下：1．运用X射线衍射（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）对ZnO薄膜样品的生长方式和结构进行表征。结果表明：固相源加热温度对ZnO薄膜的结晶质量有影响，但对其生长方式影响不大；衬底温度对ZnO薄膜的生长方式和结构影响较大。在固相源加热温度为210℃，衬底温度为350℃的工艺条件下实现了ZnO薄膜沿a～b轴的非极性生长，同时非极性ZnO薄膜具有良好的结晶质量。2．适当的热处理温度可以提高薄膜的结晶质量。实验发现热处理可以引起薄膜的重结晶，从而改善薄膜的结晶状况，改变薄膜中的化学配比。热处理温度为700℃时非极性ZnO薄膜（100）择优取向度和结晶质量最好，其氧锌原子数之比为1．02，为富氧ZnO薄膜。光致发光（PL）研究表明：700℃下热处理的ZnO薄膜缺陷最少，结晶最完美，有效地抑制了深能级发射，有利于ZnO在短波长方向上的发光。3．采用He—Cd激光器作为激发光源详细分析非极性ZnO薄膜的光致发光特性。10K时观察到ZnO薄膜的自由激子发射峰（EA）、中性受主束缚激子发射峰（AOX）以及自由激子的一阶（EA-1LO）、二阶（EA-2LO）、三阶（EA-3LO）和四阶声子伴线（EA—4LO），随着温度的升高，束缚激子发射峰很快被自由激子发射峰取代。低温时，束缚激子发射占主要地位，同时伴随有相对较弱的自由激子复合发射，说明ZnO薄膜具有良好的结晶质量。4．探讨了ZnO薄膜的生长方式对其发光效率的影响。极性生长的ZnO薄膜由于其自发极化和压电效应而产生强大的内建电场，从而大大降低其发光效率。非极性的ZnO克服了这一缺陷，其发光强度远大于极性ZnO薄膜的发光强度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO的特性
• 1.3 ZnO薄膜的应用
• 1.4 ZnO薄膜的制备方法
• 1.5 SSCVD制备ZnO薄膜的研究进展
• 1.6 本论文研究的目的和意义
• 第二章 单源化学气相沉积原理及样品分析技术
• 2.1 单源化学气相沉积（SSCVD）简介
• 2.2 单源化学气相沉积（SSCVD）原理与技术
• 2.3 ZnO薄膜的分析表征手段
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）
• 2.3.2 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.3.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.3.4 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.5 光致发光谱（PL）
• 第三章 单源化学气相沉积法制备ZnO薄膜
• 3.1 实验方法
• 3.2 衬底的清洗
• 3.3 ZnO薄膜的制备
• 3.3.1 源温度对ZnO薄膜的影响
• 3.3.2 衬底温度对ZnO薄膜的影响
• 3.3.3 非极性ZnO薄膜的晶体结构
• 3.3.4 热处理对ZnO薄膜质量的影响
• 3.3.4.1 XRD分析
• 3.3.4.2 XPS研究
• 第四章 非极性ZnO薄膜的光学性质
• 4.1 非极性ZnO薄膜光致发光
• 4.1.1 光致发光原理
• 4.1.2 热处理对ZnO薄膜光致发光性能的影响
• 4.1.2.1 激发光源的选择
• 4.1.2.2 热处理对非极性ZnO薄膜发光性能的影响
• 4.1.3 非极性ZnO薄膜的光致发光特性
• 4.1.3.1 近带边紫外发射机理
• 4.1.4 非极性ZnO薄膜的光致发光特性
• 4.1.4.1 非极性ZnO薄膜的变温光致发光谱
• 4.1.4.2 非极性ZnO薄膜的室温光致发光谱
• 4.2 非极性ZnO薄膜的透射谱
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间研究成果