ZnCdO合金薄膜及其异质结构的制备和光学性能的研究

发布时间：2018-11-10 16:30

【摘要】：ZnO是直接跃迁宽带隙Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,室温下禁带宽3.37e V,激子束缚能高达60me V,是制备发光二极管和半导体激光器的理想材料。通过能带工程可以实现对Zn O的能带调节,将与Zn O晶格匹配的合金材料应用到Zn O基超晶格或量子阱结构中,可有效提高Zn O基光电器件的性能。一般掺入适量的Cd元素所制备的Zn Cd O合金薄膜可以使Zn O的带隙宽度变窄,从而实现Zn O的带边发光由紫外光至蓝光甚至绿光波段范围内可调。然而,由于Cd2+和Zn2+离子半径的不匹配,要在不分相的前提下使得Zn O晶格中的Cd掺杂量最大化是问题的关键所在,而这与靶材的组成、制备方法、实验条件等诸多因素有关。本文主要针对优化制备ZnCdO薄膜材料的生长工艺进行了系统的研究,旨在为后期制备Zn O/Zn Cd O异质结构打下实验基础和提供理论依据。主要内容如下:(1)采用脉冲激光沉积法(PLD),选用靶材ZnO/Cd O(Zn O:Cd O=4:1at%)和c-Al2O3衬底,在不同衬底温度(200-600℃)、氧气压强(0.2-8Pa)、基靶间距(50-70mm)的条件下制备了一系列的Zn Cd O薄膜,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、光致发光等测试方法,研究分析了这些生长条件的改变对Zn Cd O薄膜的晶体结构、表面形貌及光学性能的影响,以优化制备Zn Cd O薄膜的工艺参数。结果显示:在衬底温度300℃、氧气压强1Pa和基靶间距60mm的生长条件下,可以得到结晶质量较好、发光性能优异的Zn Cd O合金薄膜。(2)开展氧气压强对所制备的ZnCdO薄膜的结构及发光性能影响的研究,通过变温光致发光、X射线能谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)及拉曼光谱测试来进一步综合分析Zn Cd O薄膜的内在发光机制。结果表明随着氧气压强的增加,室温PL光谱显示发光峰位出现红移,同时半高宽展宽。这被认为随着氧压的增加薄膜中的Cd含量逐渐增大所造成的,EDS、XPS和拉曼光谱测试结果进一步支持了这一结论。通过变温PL光谱测试了发光峰积分强度及峰位随温度变化的依存性,研究了不同氧压下制备的Zn Cd O薄膜发光机理,由于Cd原子组份波动会形成不同的等电子陷阱中心,导致激子局域在这些由Cd原子形成的中心上产生辐射复合。当氧压0.6P时,薄膜中Cd含量较低,激子主要束缚到孤立Cd原子上(X/Cd);随着氧压的增加,制备薄膜中的Cd含量增大,光谱中束缚到多个孤立Cd原子上(X/Cdn,n≥2)的激子发射是主要的;当氧压达到8Pa时,等电子陷阱中心主要以Cd团簇形态存在,光谱中观测到可分辨的谱带来自激子局域到不同类型的Cd团簇上(X/Cd cluster),由于团簇之间存在强烈的相互作用,产生了光谱的非均匀展宽。(3)开展了ZnO/ZnCdO异质结构制备及性能表征的研究。与单层结构相比,异质结构材料的表面形貌、结晶性和光学性能发生了明显的变化,特别是界面的影响会导致合金薄膜材料Cd的含量显著降低。开展了高温Zn O缓冲层对异质结构界面影响的研究,结果表明引入高温Zn O缓冲层可以改善Zn Cd O合金薄膜的表面平整度和提高合金组份,有利于实现高质量的异质结构和高效的发光器件。在此基础上制备了Zn Cd O层厚度不同的Zn O/Zn Cd O/Zn O双异质结构,PL光谱显示在Zn Cd O层较厚时可以清楚看到来自Zn O盖层和Zn Cd O层的发光,随着Zn Cd O层厚度的变薄,Zn O近带边发光峰逐渐减弱,Zn Cd O层的发光峰出现蓝移,最后只能观测到一个发光峰。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2

【参考文献】