非極性ZnO基單晶薄膜的制備及ZnO-ZnMgO異質結構的性能研究.pdf

1、基于ZnO的特性（直接帶隙半導體，禁帶寬度3.37eV，激子束縛能60meV），其被認為有望成為新一代的光電器件材料。ZnO的“能帶工程”是指通過合金化對其進行能帶裁剪，并在此基礎上制備高質量的量子阱結構，它是實現(xiàn)ZnO光電應用的重要基礎。然而，通常情況下ZnO沿極性c軸方向擇優(yōu)生長，這會使其受到自發(fā)極化和誘導極化的影響，由此產生的內建電場將使多量子阱結構的內量子效率降低、發(fā)光波長紅移，從而對器件性能造成不利影響。為消除上述不利影響，我

2、們的工作重點將致力于非極性a面ZnO基單晶薄膜的制備及其異質結構的性能研究。主要包括高質量、帶隙可調的Zn1-xMgxO薄膜的制備，ZnO/Zn1-xMgxO異質結能帶帶階的測定，ZnO/Zn1-xMgxO多量子阱光學性能的研究以及GaN緩沖層對ZnO薄膜晶體質量的提升。獲得的主要研究成果如下:
　　1.采用射頻等離子體輔助分子束外延（P-MBE）技術，通過優(yōu)化生長參數(shù)，在r面藍寶石上外廷得到非極性a面Zn1-xMgxO合金薄膜。

3、(1120)面搖擺曲線半高寬(FWHM)為1300～2000arcsec，(1011)面FWHM為1600～1900arcsec;所有薄膜表面原子級平整，均方根粗糙度都小于1 nm。通過改變薄膜中Mg組分從0增大至16％實現(xiàn)室溫光致發(fā)光(PL)峰位從3.29eV至3.63eV可調。研究發(fā)現(xiàn)隨Mg含量的增加薄膜更傾向于a面擇優(yōu)生長。
　　2.采用X射線光電子譜(XPS)芯能級技術研究了Mg含量對非極性a面ZnO/Zn1-xMgxO異

4、質結能帶帶階的影響。不同Mg組分下異質結均表現(xiàn)為I型能帶結構。發(fā)現(xiàn)a面Zn1-xMgxO的能帶展寬主要發(fā)生在導帶。相對于極性異質結，非極性異質結具有更小的價帶帶階△EV和更大的導帶帶階△EC，這種能帶結構有利于對其進行高效的p型摻雜。
　　3.采用P-MBE技術在r面藍寶石上獲得了單一非極性取向、表面平整且界面陡峭的a面ZnO/Zn1-xMgxO多量子阱。通過PL測試研究了量子阱的光學特性，發(fā)現(xiàn)在室溫和低溫下多量子阱均顯示出明顯的

5、量子約束效應。變溫PL譜揭示了非極性量子阱中的激子局域化現(xiàn)象，認為這種現(xiàn)象與阱層中因界面起伏導致的“勢谷”有關。通過改變阱層寬度和壘層高度，發(fā)現(xiàn)隨阱寬減小或壘高增加，量子阱的量子約束效應逐漸增強，其發(fā)光峰位可在大范圍內進行調節(jié)。相對于c面多量子阱，a面多量子阱在阱寬增大時能有效避免量子限域斯達克效應。壘層中Mg含量的增加則能有效提高量子阱中載流子的注入效率。
　　4.引入原位生長的GaN緩沖層，結合激光分子束外延(L-MBE)和P