蓝宝石和硅基底氧化锌薄膜的光学性质研究

发布时间：2017-11-15 20:11

  本文关键词：蓝宝石和硅基底氧化锌薄膜的光学性质研究

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【摘要】：氧化锌(Zinc Oxide, ZnO)室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能约为60meV,是一种直接带隙宽禁带半导体材料。ZnO薄膜因具有性能稳定,生长温度低,并且对掺杂、温度、压力、表面形体结构、载流子浓度等因素非常敏感等优点,表现出优良的透明导电性、光电性、压电性等性质,是制造高效紫外/蓝色发光二极管、传感器、光电检测器和激光器件等方面的理想材料,因而成为半导体材料领域的一个研究热点之一。本论文采用金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)生长法,在MOCVD生长设备中同时放置蓝宝石(sapphire, Al2O3)和硅(Si)衬底,使得不同基底的ZnO薄膜在相同生长条件下生长。生长在蓝宝石和硅基底上的氧化锌薄膜样品分别表示为：ZnO/sap(薄厚为342nm)和ZnO/Si(薄厚为343nm)。通过光致发光光谱(Photoluminescence, PL)分析、时间分辨光谱(Time-resolved photoluminescence spectrum, TRPL)分析、X射线吸收精细结构(X-Ray absorption fine structure, XAFS)图谱分析等表征手段,对比分析两片样品的光谱,研究蓝宝石和硅基底对氧化锌薄膜的结构、光学性质的影响。本论文的主要研究工作有：(1) 266nm、325nm变温激发PL分析。在266nm激光激发的变温PL光谱中,发现发光峰位在20K-50K峰位出现了较小的蓝移；计算出氧化锌薄膜在相应温度下ZnO/sap的内量子效率高于ZnO/Si。对325nm激发的变温PL光谱的高斯拟合,确定发光峰并得出峰位随温度的变化情况；对比发现不同激发功率激发的ZnO/sap与ZnO/Si的积分光强接近,表明ZnO/sap发光质量高于ZnO/Si；通过光致发光的热猝灭公式拟合得到蓝宝石和硅基底上的氧化锌薄膜的激活能分别为207meV和205meV。(2)266nm激光10K、300K下变功率激发PL分析。分别对各光谱进行积分计算积分光强,相同条件下ZnO/sap发光积分光强均比ZnO/Si大；计算出300K温度下ZnO/Si和ZnO/sap的量子效率。(3)266nm激光变功率激发TRPL分析。通过对荧光衰减曲线的单指数函数拟合得到氧化锌薄膜的荧光寿命,ZnO/sap的荧光寿命略大于ZnO/ Si。分别对不同基底样品的积分光强进行线性拟合得到,ZnO/sap的积分光强随激发功率的增长率是ZnO/Si的2.64倍,发光效率较高。数据表明,在实验激发功率变化范围内,ZnO/sap的非辐射复合概率低于ZnO/Si.(4)Zn原子K边的XAFS分析。从EXAFS的数据拟合分析中得到薄膜中Zn-O,Zn-Zn的键长,计算出晶格常数a和c,从而计算氧化锌外延层所受应力分别为ZnO/Si:εx=7.49×10-5,εz=2.52×10-5;ZnO/sap: εx=-6.4×10-6,εz=5.76×10-8。对理论模型和实测数据的XANES光谱的比较分析得到,相对于理想ZnO单晶体材料,本论文生长的ZnO薄膜中O空位较少,并且相比于ZnO/sap,ZnO/Si氧化锌薄膜中的Zn空位较少。
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O484.41

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