【摘要】：ZnO是直接躍遷寬帶隙Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體材料,室溫下禁帶寬3.37e V,激子束縛能高達(dá)60me V,是制備發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的理想材料。通過能帶工程可以實現(xiàn)對Zn O的能帶調(diào)節(jié),將與Zn O晶格匹配的合金材料應(yīng)用到Zn O基超晶格或量子阱結(jié)構(gòu)中,可有效提高Zn O基光電器件的性能。一般摻入適量的Cd元素所制備的Zn Cd O合金薄膜可以使Zn O的帶隙寬度變窄,從而實現(xiàn)Zn O的帶邊發(fā)光由紫外光至藍(lán)光甚至綠光波段范圍內(nèi)可調(diào)。然而,由于Cd2+和Zn2+離子半徑的不匹配,要在不分相的前提下使得Zn O晶格中的Cd摻雜量最大化是問題的關(guān)鍵所在,而這與靶材的組成、制備方法、實驗條件等諸多因素有關(guān)。本文主要針對優(yōu)化制備ZnCdO薄膜材料的生長工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,旨在為后期制備Zn O/Zn Cd O異質(zhì)結(jié)構(gòu)打下實驗基礎(chǔ)和提供理論依據(jù)。主要內(nèi)容如下:(1)采用脈沖激光沉積法(PLD),選用靶材ZnO/Cd O(Zn O:Cd O=4:1at%)和c-Al2O3襯底,在不同襯底溫度(200-600℃)、氧氣壓強(qiáng)(0.2-8Pa)、基靶間距(50-70mm)的條件下制備了一系列的Zn Cd O薄膜,利用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、光致發(fā)光等測試方法,研究分析了這些生長條件的改變對Zn Cd O薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌及光學(xué)性能的影響,以優(yōu)化制備Zn Cd O薄膜的工藝參數(shù)。結(jié)果顯示:在襯底溫度300℃、氧氣壓強(qiáng)1Pa和基靶間距60mm的生長條件下,可以得到結(jié)晶質(zhì)量較好、發(fā)光性能優(yōu)異的Zn Cd O合金薄膜。(2)開展氧氣壓強(qiáng)對所制備的ZnCdO薄膜的結(jié)構(gòu)及發(fā)光性能影響的研究,通過變溫光致發(fā)光、X射線能譜(EDS)、X射線光電子能譜(XPS)及拉曼光譜測試來進(jìn)一步綜合分析Zn Cd O薄膜的內(nèi)在發(fā)光機(jī)制。結(jié)果表明隨著氧氣壓強(qiáng)的增加,室溫PL光譜顯示發(fā)光峰位出現(xiàn)紅移,同時半高寬展寬。這被認(rèn)為隨著氧壓的增加薄膜中的Cd含量逐漸增大所造成的,EDS、XPS和拉曼光譜測試結(jié)果進(jìn)一步支持了這一結(jié)論。通過變溫PL光譜測試了發(fā)光峰積分強(qiáng)度及峰位隨溫度變化的依存性,研究了不同氧壓下制備的Zn Cd O薄膜發(fā)光機(jī)理,由于Cd原子組份波動會形成不同的等電子陷阱中心,導(dǎo)致激子局域在這些由Cd原子形成的中心上產(chǎn)生輻射復(fù)合。當(dāng)氧壓0.6P時,薄膜中Cd含量較低,激子主要束縛到孤立Cd原子上(X/Cd);隨著氧壓的增加,制備薄膜中的Cd含量增大,光譜中束縛到多個孤立Cd原子上(X/Cdn,n≥2)的激子發(fā)射是主要的;當(dāng)氧壓達(dá)到8Pa時,等電子陷阱中心主要以Cd團(tuán)簇形態(tài)存在,光譜中觀測到可分辨的譜帶來自激子局域到不同類型的Cd團(tuán)簇上(X/Cd cluster),由于團(tuán)簇之間存在強(qiáng)烈的相互作用,產(chǎn)生了光譜的非均勻展寬。(3)開展了ZnO/ZnCdO異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備及性能表征的研究。與單層結(jié)構(gòu)相比,異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的表面形貌、結(jié)晶性和光學(xué)性能發(fā)生了明顯的變化,特別是界面的影響會導(dǎo)致合金薄膜材料Cd的含量顯著降低。開展了高溫Zn O緩沖層對異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面影響的研究,結(jié)果表明引入高溫Zn O緩沖層可以改善Zn Cd O合金薄膜的表面平整度和提高合金組份,有利于實現(xiàn)高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和高效的發(fā)光器件。在此基礎(chǔ)上制備了Zn Cd O層厚度不同的Zn O/Zn Cd O/Zn O雙異質(zhì)結(jié)構(gòu),PL光譜顯示在Zn Cd O層較厚時可以清楚看到來自Zn O蓋層和Zn Cd O層的發(fā)光,隨著Zn Cd O層厚度的變薄,Zn O近帶邊發(fā)光峰逐漸減弱,Zn Cd O層的發(fā)光峰出現(xiàn)藍(lán)移,最后只能觀測到一個發(fā)光峰。
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【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2322963