ZnO薄膜生长行为和光学性能研究

论文摘要

ZnO具有纤锌矿晶体结构，是一种新型的直接带隙宽带半导体，其禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60 meV，可以实现室温下的激子发射。ZnO薄膜可在低于600℃的温度下获得，较GaN，SiC和其它Ⅱ—Ⅳ族半导体宽禁带材料的制备温度低很多，这些特点使ZnO具备了作为室温短波长光电子材料的必备特征。因此，ZnO薄膜是一种具有希望的短波光电材料，研究ZnO薄膜的发光特性具有十分重要的意义。ZnO作为新一代的宽带半导体材料，具有广泛的应用，如：ZnO薄膜可以制成表面声波谐振器，压电器件，GaN蓝光薄膜的过渡层以及透明导电膜等。自从1997年Tang等报导了ZnO薄膜的近紫外受激发射现象以后，ZnO再次成为当今半导体材料研究领域的热点。本文采用RF反应磁控溅射方法和电化学沉积的方法制备了ZnO薄膜。针对薄膜的生长行为、表面形貌、结构、光学特性等开展了一系列研究工作。主要研究结果如下：1．利用磁控溅射两步生长的方法制备了高质量的ZnO薄膜。研究发现：Si基片的刻蚀时间对两步生长方法沉积的ZnO薄膜的生长行为有一定的影响。基片刻蚀时间对薄膜表面形貌的影响与低温沉积的ZnO过渡层的成核密度有关；低温过渡层的沉积时间对两步生长方法沉积的ZnO薄膜的生长行为有重要影响。低温ZnO过渡层的沉积时间所导致的薄膜表面形貌的变化与低温过渡层在Si(001)表面的覆盖度有关。2．电化学沉积的ZnO薄膜表面形貌和生长行为受沉积电流的影响较大，存在一个临界电流密度。当沉积电流小于临界值时，薄膜成团簇生长方式；沉积电流大于临界值时，呈六棱晶柱生长特征；所制备的ZnO薄膜具有高C轴取向和较小的张应力。电化学沉积的ZnO薄膜在可见光波段具有较高的透射率，并出现明显的禁带展宽现象。随着沉积电流的增加，带隙发光强度逐渐减弱，缺陷发光逐渐增强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 ZnO的晶体结构
• 1.2 ZnO的基本性质
• 1.2.1 ZnO的基本物理参数
• 1.2.2 ZnO的光学特性
• 1.2.3 p-n特性
• 1.2.4 其他特性
• 1.3 ZnO的应用
• 1.3.1 作为GaN的缓冲层
• 1.3.2 紫外探测器
• 1.3.3 太阳能电池
• 1.3.4 压敏陶瓷
• 1.3.5 ZnO发光二极管
• 1.4 ZnO薄膜制备方法
• 1.4.1 溅射法（Sputtering）
• 1.4.2 电化学沉积（ED）
• 1.4.3 分子束外延（MBE）
• 1.4.4 脉冲激光沉积（PLD）
• 1.4.5 金属有机物化学气相沉积（MOCVD）
• 1.4.6 溶胶-凝胶法（sol-gel）
• 1.4.7 喷雾热分解法（Spray Pyrolysis）
• 1.5 ZnO薄膜的研究现状
• 1.6 本论文的研究目的和内容
• 2 ZnO薄膜的制备及表征方法
• 2.1 反应磁控溅射技术制备 ZnO薄膜
• 2.1.1 反应溅射基本原理
• 2.1.3 实验设备
• 2.1.3 薄膜制备条件
• 2.1.4 薄膜基片的常规化学清洗
• 2.2 电化学沉积制备ZnO薄膜
• 2.2.1 电化学沉积的原理
• 2.2.2 薄膜制备条件及基片处理方法
• 2.3 薄膜的表征方法
• 2.3.1 薄膜微观结构的表征
• 2.3.2 薄膜表面形貌的表征
• 2.3.3 薄膜的光学性能表征
• 3 ZnO薄膜的两步生长方法
• 3.1 ZnO薄膜两步生长方法的提出
• 3.2 基片刻蚀时间对两步生长ZnO薄膜生长行为的影响
• 3.2.1 基片刻蚀时间对 ZnO薄膜表面形貌的影响
• 3.2.2 基片刻蚀时间对 ZnO薄膜表面粗糙度的影响
• 3.2.3 基片刻蚀时间对 ZnO薄膜表面形貌演化标度的影响
• 3.3 低温沉积时间对两步生长 ZnO薄膜生长行为的影响
• 3.3.1 低温沉积时间对 ZnO薄膜表面形貌的影响
• 3.3.2 低温沉积时间对 ZnO薄膜表面粗糙度的影响
• 3.3.3 低温沉积时间对 ZnO薄膜表面形貌演化标度的影响
• 3.3.4 低温沉积时间对 ZnO薄膜微观结构的影响
• 3.4 本章小结
• 4 ZnO薄膜的电化学沉积
• 4.1 电化学沉积 ZnO薄膜形貌分析
• 4.2 电化学沉积 ZnO薄膜结构分析
• 4.3 电化学沉积 ZnO薄膜光学性能分析
• 4.3.1 透射光谱分析
• 4.3.2 光致荧光光谱分析
• 4.4 电化学沉积 ZnO薄膜光致荧光光谱拟合分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢