本文關(guān)鍵詞：藍寶石和硅基底氧化鋅薄膜的光學性質(zhì)研究

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【摘要】：氧化鋅(Zinc Oxide, ZnO)室溫下禁帶寬度為3.37eV,激子束縛能約為60meV,是一種直接帶隙寬禁帶半導體材料。ZnO薄膜因具有性能穩(wěn)定,生長溫度低,并且對摻雜、溫度、壓力、表面形體結(jié)構(gòu)、載流子濃度等因素非常敏感等優(yōu)點,表現(xiàn)出優(yōu)良的透明導電性、光電性、壓電性等性質(zhì),是制造高效紫外/藍色發(fā)光二極管、傳感器、光電檢測器和激光器件等方面的理想材料,因而成為半導體材料領(lǐng)域的一個研究熱點之一。本論文采用金屬有機化學氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)生長法,在MOCVD生長設(shè)備中同時放置藍寶石(sapphire, Al2O3)和硅(Si)襯底,使得不同基底的ZnO薄膜在相同生長條件下生長。生長在藍寶石和硅基底上的氧化鋅薄膜樣品分別表示為：ZnO/sap(薄厚為342nm)和ZnO/Si(薄厚為343nm)。通過光致發(fā)光光譜(Photoluminescence, PL)分析、時間分辨光譜(Time-resolved photoluminescence spectrum, TRPL)分析、X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(X-Ray absorption fine structure, XAFS)圖譜分析等表征手段,對比分析兩片樣品的光譜,研究藍寶石和硅基底對氧化鋅薄膜的結(jié)構(gòu)、光學性質(zhì)的影響。本論文的主要研究工作有：(1) 266nm、325nm變溫激發(fā)PL分析。在266nm激光激發(fā)的變溫PL光譜中,發(fā)現(xiàn)發(fā)光峰位在20K-50K峰位出現(xiàn)了較小的藍移；計算出氧化鋅薄膜在相應溫度下ZnO/sap的內(nèi)量子效率高于ZnO/Si。對325nm激發(fā)的變溫PL光譜的高斯擬合,確定發(fā)光峰并得出峰位隨溫度的變化情況；對比發(fā)現(xiàn)不同激發(fā)功率激發(fā)的ZnO/sap與ZnO/Si的積分光強接近,表明ZnO/sap發(fā)光質(zhì)量高于ZnO/Si；通過光致發(fā)光的熱猝滅公式擬合得到藍寶石和硅基底上的氧化鋅薄膜的激活能分別為207meV和205meV。(2)266nm激光10K、300K下變功率激發(fā)PL分析。分別對各光譜進行積分計算積分光強,相同條件下ZnO/sap發(fā)光積分光強均比ZnO/Si大；計算出300K溫度下ZnO/Si和ZnO/sap的量子效率。(3)266nm激光變功率激發(fā)TRPL分析。通過對熒光衰減曲線的單指數(shù)函數(shù)擬合得到氧化鋅薄膜的熒光壽命,ZnO/sap的熒光壽命略大于ZnO/ Si。分別對不同基底樣品的積分光強進行線性擬合得到,ZnO/sap的積分光強隨激發(fā)功率的增長率是ZnO/Si的2.64倍,發(fā)光效率較高。數(shù)據(jù)表明,在實驗激發(fā)功率變化范圍內(nèi),ZnO/sap的非輻射復合概率低于ZnO/Si.(4)Zn原子K邊的XAFS分析。從EXAFS的數(shù)據(jù)擬合分析中得到薄膜中Zn-O,Zn-Zn的鍵長,計算出晶格常數(shù)a和c,從而計算氧化鋅外延層所受應力分別為ZnO/Si:εx=7.49×10-5,εz=2.52×10-5;ZnO/sap: εx=-6.4×10-6,εz=5.76×10-8。對理論模型和實測數(shù)據(jù)的XANES光譜的比較分析得到,相對于理想ZnO單晶體材料,本論文生長的ZnO薄膜中O空位較少,并且相比于ZnO/sap,ZnO/Si氧化鋅薄膜中的Zn空位較少。
【學位授予單位】：廣西大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O484.41

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