PLD方法生长ZnOZnMgO量子阱及结构、光学性能研究

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1、摘要摘要ZnO是一种重要的宽带隙半导体材料，与GaN的带隙宽度基本上相同，是制备紫外半导体发光器件和半导体激光器的理想材料。与GaN相比，ZnO不仅具有生长温度低、无毒，原料成本相对低廉等优点，还具有高达60meV的激子束缚能(后者仅为24meV)，因而获得受激发射的阈值要低得多。另一方面，ZnO还具有丰富的纳米结构，包括纳米线、纳米管、纳米带、纳米环、纳米点等等。当材料尺寸降低至量子尺度时，将出现许多不同于体材料的性能。本文采用脉冲激光沉积(PLD：pulsedlaserdeposition)方法进行ZnO薄膜与Zn

2、O／ZnMgO量子阱的生长。为了探索量子阱的生长条件，我们首先研究了生长温度、氧压、缓冲层及退火处理等对制备的ZnO薄膜的形貌特征和晶体质量的影响，获得了取得平整薄膜的最佳生长参数。在此基础上，实现了ZnO／ZnMgO量子阱的可控生长，并且深入分析了其光致发光性能。现简要介绍如下：1、利用PLD方法探索了ZnO薄膜的生长工艺。本文通过改变生长温度、氧压、激光器等参数，分析了衬底温度、薄膜厚度、缓冲层、退火处理等对薄膜的形成和形貌的影响。2、探索了衬底温度的改变对ZnMgO：AI合金薄膜的结构与电学性能的影响，当生长温度

3、为350。C获得了最低电阻率为5．6×104Qcm的薄膜，分析了电阻率发生改变的原因，为今后制备调制掺杂超晶格结构打下了良好的基础。3、在最佳生长条件下，通过改变阱层厚度、势垒层厚度及组分等结构参数在Si(111)衬底上可控地制备出一系列ZnO／ZnMgO多量子阱，透射电镜(TEM)结果表明这些量子阱具有良好的周期性结构。4、通过对光致发光(photoluminescence，PL)结果分析表明，量子阱室温下的带边发光具有激子特征。随着势阱层的厚度减小，势阱层PL发射峰发生蓝移，这是量子约束(尺寸)效应。我们还从实验结

4、果中发现，量子阱具有高于体材料的激子束缚能，并且激子束缚能随着势阱层厚度的减小而增加。5、通过对ZnO／ZnMgO单量子阱和多量子阱的PL谱随温度的变化情况发现，量子阱中的激子在低温下是“局域化”的，随着温度的上升，激子逐渐地“去局域III浙江大学博士学位论文化”转化为自由激子。本文还发现，“势谷”的深度受势阱层的厚度和势垒层的组分影响。关键词：ZnO薄膜；ZnMgO合金；量子阱；超晶格；脉冲激光沉积；纳米器件IVAbstractZnOisasemiconductorwithadirectwidebandgapof3．

5、37eVatroomtemperature(I玎)，nearlytothatofGaN．Thus，ZnOisallidealcandidateforapplicationsinshort-waveoptoelectronicdevices，suchasultraviolet(Uv)light—emittingdevicesandlaserdiodes．ZnOhasmainlytwoadvantagesoverGaN，i．e．，(1)lowdepositiontemperature，lowcostandinnoxious

6、ness，(2)largeexcitonbindingenergyof60meVincomparisontothatof26meVinGaN．Ontheotherhand,thereareabundantnanostructuresinZnO，includingnanowires，nanotubes，nanobelts，nanoloops，nanodots，andSOon．Besides，itiswellknownthatZnOquantum··size·-scalematerialsexhibitmanynovelc

7、haracteristicsdifferentfrombulkZnO．Inthepaper,ZnOfilmsandZnO／ZnMgOquantumwellsweregrownbypulsedlaserdeposition(PLD)．Byoptimizingthegrowthparameter(includingsubstratetemperature，oxygenpartialpressure，filmthickness，andannealingtreatment)，thesmoothZnOfilmswereachie

8、vedwitharoughnessnOmorethan1nm．ThegrowthparameterwasthenutilizedtofabricateZnO／ZnMgOquantumwells．Theopticalpropertieswereanalyzedbyphotoluminescence(PL)spectra．1．ZnOf