论文摘要
ZnO是具有纤锌矿晶体结构的直接宽带隙半导体材料，室温带宽约为3．37eV，激子束缚能为60meV。ZnO和GaN的能带间隙和晶格常数非常接近，可互相提供缓冲层，有相近光电特性。但ZnO还有较GaN更优越特性，如：具有更高的熔点和激子束缚能、激子增益更高、外延生长温度低、成本低、容易刻蚀而使后继工艺加工更方便等等。在某些应用领域显示出比GaN更大的发展潜力。因此ZnO发光管、激光器和紫外光探测器等有可能取代或部分取代GaN光电器件。ZnO的优点很多，且用途广泛，近些年来ZnO量子阱或异质结相关器件已经逐渐成为了研究的热点。这也带动了ZnO相关合金材料的研究热潮。MgZnO晶体薄膜作为一种新兴的光电合金材料，近些年来逐渐引起人们的兴趣。MgZnO三元合金是由ZnO与MgO按一定组分固熔而成。镁离子(Mg2+)的半径为0．57（?），这与锌的离子(Zn2+)的半径（0．60（?））大小非常的接近，这使得镁离子在替代锌离子的位置时所产生的晶格失配很小（只有0．1％）。当镁的组分较低时合金为六方结构，晶格常数与ZnO接近；而当MgO组分较高时合金为立方结构，此时合金中将产生ZnO与MgO的分相，其结构也就变的复杂。由于MgO的禁带宽度很大（为7．7eV），所以六方结构的MgZnO合会的禁带宽度可以在3．3-4．0eV范围内进行调节。制备MgZnO薄膜的方法很多，包括脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、溅射、化学溶液涂层法等。本论文利用MOCVD法生长了MgZnO薄膜，对其生长条件进行优化。并在此基础上着重分析了退火工艺对其特性的影响。通过衬底受主扩散的方法制备了p-MgZnO薄膜，并在此基础上制备了其相关的发光器件，并研究了其特性。主要的研究工作如下：我们利用等离子体增强MOCVD法在c面蓝宝石衬底上生长了高质量的MgZnO薄膜，并分析了生长温度、氧气流量、缓冲层厚度等条件对薄膜性质的影响。结果表明，生长温度对薄膜的晶体质量有显著的影响。当薄膜的生长温度为610℃时，样品X射线衍射谱中的002衍射峰最强，薄膜晶粒尺寸较大，且晶粒之间连接紧密，具有最好的晶体质量。在较低的温度下，MgZnO的生长速度快，并且其表面会吸附大量的气体原子，它们会影响反应原子的迁移，薄膜的有序化和晶粒的长大，进而影响到晶体的质量。而在高于610℃后，可能由于气相反应非常严重，从而降低了薄膜的品体质量。我们对薄膜生长所需氧气的流量也进行了研究。结果表明氧气流量为200sccm的时候，样品只出现MgZnO的002衍射峰，且峰的强度最大。这主要原于MgZnO中各元素的化学计量比对晶体质量的影响。当MgZnO薄膜的ZnO缓冲层厚度为20nm的时候，薄膜的晶体质量、光学质量与表面形貌达到最佳。而在厚度不足或超过20nm时，MgZnO成核密度减小，导致薄膜质量下降。我们还对在GaAs衬底上薄膜的生长条件进行了优化。在此基础上，我们将两种衬底上所生长的MgZnO薄膜的特性进行了对比。结果表明，在GaAs衬底上所制备薄膜的特性，与蓝宝石衬底上制备薄膜的特性相比，均存在很大的不足。主要原因有两点：一是GaAs衬底与薄膜晶格的失配度较高；二是GaAs衬底中As元素向薄膜内存在热扩散效应，这会对薄膜的晶体质量产生很大的影响。我们采用等离子体增强MOCVD系统，在c面蓝宝石衬底上生长了MgZnO薄膜，在生长条件下，分别在常压氧气与氮气条件下对MgZnO薄膜进行了退火。并对不同条件下退火的结果进行了对比与分析。结果表明，氮气退火对薄膜性质影响不大，而氧气退火却能够大幅度的提高薄膜的晶体质量。这个现象主要归因于氧气退火工艺对薄膜内元素化学计量比的调节，使其更趋合理。我们还在不同的退火温度下对薄膜进行了真空退火处理。实验发现，随着真空退火温度的增加，薄膜的X射线衍射谱与光致发光光谱均出现了与合金中Mg元素含量升高时相似的变化趋势。通过对样品光电子能谱的分析，我们发现高温真空退火对薄膜中各元素所产生的影响并不相同。这使得高温真空退火可以在一定程度上影响三元合金中各元素的组分。而Mg-O与Zn-O的键能不同是该现象产生的根本原因。MgZnO中各元素的组分是可以通过改变真空退火温度的方法进行调节的。我们在GaAs衬底上生长了MgZnO薄膜，通过富氧退火条件下衬底中As原子热扩散的方法成功制备了p-MgZnO薄膜，并通过光电子能谱分析了退火前后As在薄膜中的存在状态。认为在富氧退火的情况下，薄膜内As是从As-O的形式逐渐转为AsZn-2VZn复合体的形式而作为浅受主存在的，这使得薄膜呈p型的导电性。我们对退火时氧气压强与薄膜电学特性的关系进行了分析。结果表明，随着氧气压强的增加，薄膜的电阻率逐渐增加，导电类型由n型转变为p型后，电阻率又逐渐下降。但当氧气压强达到一定程度的时候，过量的氧气并不能使薄膜的电学特性进一步改变，这说明此方法制备的p型薄膜的导电性能存在着上限。我们在p-MgZnO薄膜的基础上制备了MgZnO基的p-n同质结发光器件。并对器件的电学特性、光学特性进行了表征。在n-MgZnO薄膜的表面与p-GaAs衬底的背面制作了Au／Zn电极，并排除了其他外界因素对器件Ⅰ-Ⅴ特性的影响。该器件表现出典型的整流特性。正向开启电压约为3．5V，反向电压大于7V。我们对器件的电致发光光谱进行了测试，并首次测试到了MgZnO基的p-n同质结发光管的电致紫外光发射。该发光峰位于3．3eV附近，这与MgZnO薄膜光致光谱中紫外发光峰的位置一致。我们认为其发光的机理主要是由于载流子之间的复合。我们对它与ZnO基的同质结发光器件的电致发光光谱进行了比较，两种器件的主要差异为：MgZnO器件的深能级跃迁发光峰较ZnO基器件的存在明显的蓝移，且在低能量侧较ZnO的多出很多强度较小的发光峰。我们认为产生差异的主要原因是镁含量增加所导致的材料带宽的增加与薄膜内缺陷能级种类的增加。在此基础上，我们制备了不同镁含量的MgZnO同质结器件，并深入的研究了镁含量对器件性质的影响。电致光谱结果的表明，当镁含量逐渐增加时，器件深能级发光峰逐渐蓝移，发光峰的半高宽增加，而强度下降。我们的分析表明，镁含量的逐渐增加，导致合金的带宽不断增加。所以，载流子被缺陷俘获时或缺陷能级之间产生复合时所释放能量的增加是发光峰蓝移的主要原因。镁元素引入时，薄膜内产生了新的缺陷能级，这使得薄膜内的复合种类与过程更加复杂。这是发光峰变宽的主要原因。我们在GaAs衬底上制备了p-MgZnO／n-ZnO的异质结发光器件，我们分析了其电学、光学特性，并将其与MgZnO同质结器件的发光效果进行了比较。结果表明，该器件的开启电压约为3．6V，与MgZnO同质结器件相似。但该异质结器件发光效果与MgZnO同质结器件相比都存在着明显的不足。电致光谱中始终始终只存在着一个较宽的深能级发光峰。而我们始终没有观察到与载流子复合相关的紫外发射峰。其原因主要是p型MgZnO层中载流子迁移率与n型ZnO层的相比过低，导致大部分载流子的复合只能在p型区中进行。但目前所制备的p型薄膜的晶体质量与发光质量并不完善，这也就严重影响到了载流子的复合。
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标签：氧锌镁合金论文; 氧化锌材料论文; 金属有机物化学气相沉积论文; 退火工艺论文; 发光器件论文;