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1、第23卷第6期发光学报Vol123No.62002年12月CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCEDec.,2002文章编号:100027032(2002)0620559204ZnO薄膜的反射、透射光谱及能带结构测量傅竹西,林碧霞,何一平,廖桂红(中国科学院结构分析开放实验室;中国科学技术大学物理系,安徽合肥230026)摘要:采用正入射的方法研究了生长在硅基片上的氧化锌薄膜的反射光谱,测量出氧化锌薄膜的光学吸收边在370nm,所对应的能量值为3135eV。测量生长在石英玻璃基片上的氧化锌薄膜的透射光谱,得到相同的吸收边。表明ZnO薄膜的光学禁带
2、宽度与体材料的禁带宽度一致。反射谱中,在550~600nm之间观察到一个吸收峰,吸收峰的位置以及吸收边的陡峭程度都随薄膜的结晶状况的不同而有所不同。关键词:氧化锌薄膜;反射光谱;透射光谱;能带结构中图分类号:O47213文献标识码:A以采用了反射光谱测量方法。反射光谱是一种既1引言基本又简单的研究材料光学性质的方法。通过反ZnO是近年来发展起来的近紫外发光材料,射谱中吸收边和吸收峰的分析,可以得到材料电[1~10]目前已成为热门的研究课题。其原因在于子态的信息,还可以从反射谱吸收边的陡峭程度,利用它有可能制成高效、长寿命的蓝光或更短波判断材料的生长情况。为了得到
3、正入射时样品的长的激光二极管。但要使之达到实用化,不仅要反射光谱,特制了一个中间带孔的反射镜,入射光进一步提高制备薄膜的质量,还需要对它的物理通过反射镜正入射到ZnO薄膜表面,反射光经由性质加以深入研究。特别是与发光直接有关的反射镜中央的小孔进入单色仪,从而实现了入射ZnO的能级结构。许多文献对ZnO禁带宽度的光束在样品表面的准垂直入射和反射。光源采用报道存在明显的差别。例如,Ohta等人[5]和200W的氙灯。单色仪的测量范围从300nm到Barnes等人[11]在研究ZnO单晶的性质时,引用600nm。图1为反射谱测量装置简图。的ZnO禁带宽度为312eV;
4、Izaki等人在文章中采[9]用的数据是313eV;Yoshikawa等人测量氧化[12]锌的光学常数得出禁带宽度为314eV;而[13]Nause等人则认为ZnO的禁带宽度是315eV。显然,氧化锌的不同状态(体单晶或薄膜)以及用不同方法制备的氧化锌薄膜可能具有不同的禁带宽度。因此有必要通过测量来确定所制备的ZnO薄膜的禁带宽度及其能级结构。本实验通过反射和透射光谱中的吸收边和吸收峰的位置来确定图1反射谱测量装置简图ZnO薄膜的光学禁带宽度和局域能级。11光源,21透镜,31中间带孔的反射镜,41样品架,2实验51单色仪,61光电倍增管Fig.1Schemat
5、icofthesetupforreflectionspectramea2实验样品是使用直流反应溅射方法分别在硅surements.和石英基片上生长的ZnO薄膜。对于在硅基片11lightsource;21lens;31reflectionmirrorwithaholeat上生长出来的ZnO薄膜,由于硅基片不透明,所center;41sampleholder;51monochrometer;61MPT.收稿日期:2002208203;修订日期:2002209220基金项目:国家自然科学基金(10174072;50142016);国家科技部快速反应基金([2001]
6、584)资助项目作者简介:傅竹西(1944-),男,浙江萧山人,1967年毕业于北京大学物理系,现为中国科学技术大学物理系教授,博士生导师。主要研究方向:半导体光电子材料,目前从事氧化锌薄膜的制备及特性研究工作。E2mail:fuzx@ustc.edu.cn,Tel:(0551)3606004560发光学报第23卷吸收边,而在500~600nm范围内有一个吸收峰,3实验结果与分析位置各有差异。图2(a)、(b)分别为在Si(111)和用上述测量装置,我们一共测量了26个ZnOSi(100)面上生长的ZnO薄膜的反射谱。它们具薄膜样品的反射谱,波长范围从300nm
7、到有相同的吸收边(370nm),但吸收峰的位置有一600nm。大多数样品的反射谱在370nm处出现定的差别,分别在600nm和560nm附近。图2在(a)Si(111)和(b)Si(100)上生长的ZnO薄膜的反射谱Fig.2ReflectionspectraofZnOfilmgrownon(a)Si(111)and(b)Si(100)substrate,respectively.从吸收边的数据计算出对应的能量值为[14]成较好的匹配。由于晶格匹配的好坏影响薄膜3135eV,这与以前文献上报道的ZnO的禁带宽度的结晶状况和缺陷的种类及密度,造成由缺陷形成一致。的
8、局域态及其态密度的差异,
