【摘要】：ZnO是直接躍遷寬帶隙Ⅱ-Ⅵ族半導體材料,室溫下禁帶寬3.37e V,激子束縛能高達60me V,是制備發(fā)光二極管和半導體激光器的理想材料。通過能帶工程可以實現(xiàn)對Zn O的能帶調節(jié),將與Zn O晶格匹配的合金材料應用到Zn O基超晶格或量子阱結構中,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)光由紫外光至藍光甚至綠光波段范圍內(nèi)可調。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。本文主要針對優(yōu)化制備ZnCdO薄膜材料的生長工藝進行了系統(tǒng)的研究,旨在為后期制備Zn O/Zn Cd O異質結構打下實驗基礎和提供理論依據(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(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薄膜的晶體結構、表面形貌及光學性能的影響,以優(yōu)化制備Zn Cd O薄膜的工藝參數(shù)。結果顯示:在襯底溫度300℃、氧氣壓強1Pa和基靶間距60mm的生長條件下,可以得到結晶質量較好、發(fā)光性能優(yōu)異的Zn Cd O合金薄膜。(2)開展氧氣壓強對所制備的ZnCdO薄膜的結構及發(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一步綜合分析Zn Cd O薄膜的內(nèi)在發(fā)光機制。結果表明隨著氧氣壓強的增加,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和拉曼光譜測試結果進一步支持了這一結論。通過變溫PL光譜測試了發(fā)光峰積分強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)光機理,由于Cd原子組份波動會形成不同的等電子陷阱中心,導致激子局域在這些由Cd原子形成的中心上產(chǎn)生輻射復合。當氧壓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;當氧壓達到8Pa時,等電子陷阱中心主要以Cd團簇形態(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團簇上(X/Cd cluster),由于團簇之間存在強烈的相互作用,產(chǎn)生了光譜的非均勻展寬。(3)開展了ZnO/ZnCdO異質結構制備及性能表征的研究。與單層結構相比,異質結構材料的表面形貌、結晶性和光學性能發(fā)生了明顯的變化,特別是界面的影響會導致合金薄膜材料Cd的含量顯著降低。開展了高溫Zn O緩沖層對異質結構界面影響的研究,結果表明引入高溫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)高質量的異質結構和高效的發(fā)光器件。在此基礎上制備了Zn Cd O層厚度不同的Zn O/Zn Cd O/Zn O雙異質結構,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)藍移,最后只能觀測到一個發(fā)光峰。
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【學位授予單位】：深圳大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.2

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 施朝淑,張國斌,陳永虎,林碧霞,孫玉明,徐彭壽,傅竹西,Kirm M,Zimmerer G;ZnO薄膜的特殊光譜性質及其機理[J];發(fā)光學報;2004年03期

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1 鄭必舉;脈沖激光沉積CdO和ZnO基薄膜及其光電性能研究[D];吉林大學;2011年

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本文編號：2322963