本文關(guān)鍵詞：藍(lán)寶石和硅基底氧化鋅薄膜的光學(xué)性質(zhì)研究

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【摘要】：氧化鋅(Zinc Oxide, ZnO)室溫下禁帶寬度為3.37eV,激子束縛能約為60meV,是一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料。ZnO薄膜因具有性能穩(wěn)定,生長(zhǎng)溫度低,并且對(duì)摻雜、溫度、壓力、表面形體結(jié)構(gòu)、載流子濃度等因素非常敏感等優(yōu)點(diǎn),表現(xiàn)出優(yōu)良的透明導(dǎo)電性、光電性、壓電性等性質(zhì),是制造高效紫外/藍(lán)色發(fā)光二極管、傳感器、光電檢測(cè)器和激光器件等方面的理想材料,因而成為半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)之一。本論文采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)生長(zhǎng)法,在MOCVD生長(zhǎng)設(shè)備中同時(shí)放置藍(lán)寶石(sapphire, Al2O3)和硅(Si)襯底,使得不同基底的ZnO薄膜在相同生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)。生長(zhǎng)在藍(lán)寶石和硅基底上的氧化鋅薄膜樣品分別表示為：ZnO/sap(薄厚為342nm)和ZnO/Si(薄厚為343nm)。通過(guò)光致發(fā)光光譜(Photoluminescence, PL)分析、時(shí)間分辨光譜(Time-resolved photoluminescence spectrum, TRPL)分析、X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(X-Ray absorption fine structure, XAFS)圖譜分析等表征手段,對(duì)比分析兩片樣品的光譜,研究藍(lán)寶石和硅基底對(duì)氧化鋅薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)的影響。本論文的主要研究工作有：(1) 266nm、325nm變溫激發(fā)PL分析。在266nm激光激發(fā)的變溫PL光譜中,發(fā)現(xiàn)發(fā)光峰位在20K-50K峰位出現(xiàn)了較小的藍(lán)移；計(jì)算出氧化鋅薄膜在相應(yīng)溫度下ZnO/sap的內(nèi)量子效率高于ZnO/Si。對(duì)325nm激發(fā)的變溫PL光譜的高斯擬合,確定發(fā)光峰并得出峰位隨溫度的變化情況；對(duì)比發(fā)現(xiàn)不同激發(fā)功率激發(fā)的ZnO/sap與ZnO/Si的積分光強(qiáng)接近,表明ZnO/sap發(fā)光質(zhì)量高于ZnO/Si；通過(guò)光致發(fā)光的熱猝滅公式擬合得到藍(lán)寶石和硅基底上的氧化鋅薄膜的激活能分別為207meV和205meV。(2)266nm激光10K、300K下變功率激發(fā)PL分析。分別對(duì)各光譜進(jìn)行積分計(jì)算積分光強(qiáng),相同條件下ZnO/sap發(fā)光積分光強(qiáng)均比ZnO/Si大；計(jì)算出300K溫度下ZnO/Si和ZnO/sap的量子效率。(3)266nm激光變功率激發(fā)TRPL分析。通過(guò)對(duì)熒光衰減曲線的單指數(shù)函數(shù)擬合得到氧化鋅薄膜的熒光壽命,ZnO/sap的熒光壽命略大于ZnO/ Si。分別對(duì)不同基底樣品的積分光強(qiáng)進(jìn)行線性擬合得到,ZnO/sap的積分光強(qiáng)隨激發(fā)功率的增長(zhǎng)率是ZnO/Si的2.64倍,發(fā)光效率較高。數(shù)據(jù)表明,在實(shí)驗(yàn)激發(fā)功率變化范圍內(nèi),ZnO/sap的非輻射復(fù)合概率低于ZnO/Si.(4)Zn原子K邊的XAFS分析。從EXAFS的數(shù)據(jù)擬合分析中得到薄膜中Zn-O,Zn-Zn的鍵長(zhǎng),計(jì)算出晶格常數(shù)a和c,從而計(jì)算氧化鋅外延層所受應(yīng)力分別為ZnO/Si:εx=7.49×10-5,εz=2.52×10-5;ZnO/sap: εx=-6.4×10-6,εz=5.76×10-8。對(duì)理論模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的XANES光譜的比較分析得到,相對(duì)于理想ZnO單晶體材料,本論文生長(zhǎng)的ZnO薄膜中O空位較少,并且相比于ZnO/sap,ZnO/Si氧化鋅薄膜中的Zn空位較少。
【學(xué)位授予單位】：廣西大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O484.41

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