ZnO和ZnO/MgO复合层薄膜的PLD法制备及其特性研究

论文摘要

氧化锌（ZnO）是一种直接带隙宽禁带（3.37eV）Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有较大的激子束缚能（60 meV）,理论上可以在室温下实现紫外光的受激发射。同时,ZnO还是优质的压电、气敏及光电材料。ZnO薄膜的制作方法很多,传统方法有:磁控溅射（magnetron sputtering）、化学气相沉积（CVD）、溶胶凝胶法（sol-gel）、喷雾热解法（spay pyrolysis）、热氧化法（thermal oxidation）、分子束外延（MBE）等,新的生长技术如脉冲激光沉积（PLD）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、原子层外延生长法（ALE）、激光分子束外延（L-MBE）等也开始广泛应用。由于ZnO在结构、能带、电学和光学方面的诸多优点,加上ZnO薄膜的制作方法很多,可以适应不同的应用需求,ZnO在器件应用方面具有广阔的应用范围,潜力很大,前景极好。它可以被用来制作透明电极、压敏电阻、太阳能电池窗口、表面声波器件、气体传感器、发光二极管等。在短波区域,ZnO可用于制造紫外发光器件和紫外激光器,对于提高光记录密度及光信息的存取速度起着非常重要的作用。 脉冲激光沉积是近年来发展起来的先进的薄膜生长技术,能够制备出高质量的薄膜。它的工作原理是在高真空背景下用高能激光烧蚀ZnO靶材生成蒸发物淀积在加热衬底上生长晶体薄膜。有多种衬底可以生长ZnO薄膜,目前使用最多的是Al2O3衬底,已经以Al2O3为衬底制备出高质量的ZnO薄膜。而Si是最重要和使用最广泛的半导体材料,它的优点是价格便宜,已经拥有成熟的加工工艺。本论文中用脉冲激光沉积方法在Si（111）衬底上按照衬底温度、脉冲激光重复频率、环境氧压等不同条件生长了ZnO薄膜,并用X射线衍射（XRD）、荧光光谱（PL）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）以及台阶仪和电子探针等测试手段进行了表征。根据对ZnO薄膜的结构和发光特性的研究,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。发现在温度为650℃左右、氧压50Pa左右、频率5Hz左右的范围内能生长出结晶质量较好的薄膜,并能得到半高宽较窄,强度较大的紫外发光峰。 同时研究了ZnO薄膜的发光机理,认为薄膜紫外峰源自自由激子复合发光,绿光峰的发光机制与锌位氧Ozn关系密切,氧空位是蓝光发射的重要原因。 PLD方法的一个优点是可以对生长的薄膜进行原位监测,反射式高能电子衍射仪（RHEED）是本试验中用来对ZnO薄膜生长进行原位监测的重要仪器。通过观察研究了ZnO薄膜的生长方式,对观测到的Si（111）衬底和Al2O3衬底的RHEED图像进行了结构分析,发现了ZnO薄膜的两种RHEED电子衍射点阵并对它们进行了标定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO的研究历史和现状
• 1.2 ZnO的基本性质
• 1.2.1 ZnO的晶体结构
• 1.2.2 ZnO的能带性质
• 1.2.3 ZnO的固有缺陷
• 1.2.4 ZnO的荧光和激射特性
• 1.3 ZnO的广泛应用
• 1.3.1 与GaN互作缓冲层
• 1.3.2 用于光电器件的单片集成
• 1.3.3 用于气敏和湿敏元件
• 1.3.4 用于压敏电阻的制作
• 1.3.5 用于紫外光探测器
• 1.3.6 用于表面声波器件
• 1.3.7 ZnO基发光二极管和激光二极管
• 1.4 ZnO薄膜的制备方法
• 1.4.1 金属有机物化学气相沉积技术（MOCVD）
• 1.4.2 磁控溅射技术
• 1.4.3 分子束外延（MBE）和脉冲激光沉积技术（PLD）
• 1.4.4 喷雾热分解技术
• 1.4.5 利用光的原子层外延
• 1.4.6 溶胶凝胶法
• 1.5 选题的依据和本人主要工作
• 第二章 脉冲激光沉积系统及ZnO薄膜的主要测试方法
• 2.1 脉冲激光沉积技术的发展过程和工作原理
• 2.2 脉冲激光沉积系统的组成结构
• 2.3 衬底的选择
• 2.4 ZnO薄膜的生长过程
• 2.5 样品的主要测试方法
• 2.5.1 结构分析原理
• 2.5.2 发光性能分析原理
• 第三章 ZnO薄膜的晶体结构和发光性能研究
• 3.1 Si（111）上生长的ZnO薄膜的晶体结构和发光性能研究
• 3.1.1 不同衬底温度生长的ZnO薄膜
• 3.1.2 不同脉冲激光重复频率生长的ZnO薄膜
• 3.1.3 不同环境氧压生长的ZnO薄膜
• 3.1.4 ZnO薄膜退火后的荧光谱
• 3.2 Si（111）上生长的ZnO薄膜其它方面的测试分析
• 3.2.1 电子探针对有氧和无氧环境下生长的ZnO薄膜的成分分析
• 3.2.2 台阶仪测量薄膜厚度
• 3.2.3 AFM表面形貌分析
• 3.2.4 SEM形貌分析
• 3.3 ZnO薄膜的发光机理分析
• 3.4 Si（111）衬底生长ZnO薄膜的结晶性讨论
• 2O₃衬底上生长的ZnO薄膜'>3.5 Al₂O₃衬底上生长的ZnO薄膜
• 第四章 RHEED对ZnO薄膜生长的原位检测
• 4.1 薄膜生长机理讨论
• 4.1.1 岛状生长模式
• 4.1.2 层状状生长模式
• 4.1.3 混和生长模式
• 4.2 RHEED衍射原理简介
• 4.3 RHEED内部结构示意图
• 2O₃和Si（111）上的生长'>4.4 观察ZnO薄膜在Al₂O₃和Si（111）上的生长
• 2O₃衬底的观察'>4.4.1 Al₂O₃衬底的观察
• 4.4.2 Si（111）衬底的观察
• 4.4.3 Si（111）衬底上ZnO薄膜生长的观察
• 4.4.4 ZnO薄膜衍射点的标定
• 笫5章 ZnO／MgO复合层薄膜的制作和分析
• 5.1 MgO的性质
• 5.2 PLD方法沉积MgO薄膜
• 5.3 ZnO／MgO复合层薄膜的制作与分析
• 5.3.1 XRD分析
• 5.3.2 荧光谱分析
• 5.3.3 ZnO／MgO复合层薄膜的表面原子力图像
• 5.3.4 TEM、HRTEM和SAD分析
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 附录A ZnO XRD衍射角度和晶面方向对应表
• 附录B MgO XRD衍射角度和晶面方向对应图
• 2O₃ XRD衍射晶面方向和晶面间距对应表'>附录C Al₂O₃XRD衍射晶面方向和晶面间距对应表
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书