PLD方法生长ZnO/ZnMgO量子阱及结构、光学性能研究

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ZnO是一种重要的宽带隙半导体材料,与GaN的带隙宽度基本上相同,是制备紫外半导体发光器件和半导体激光器的理想材料。与GaN相比,ZnO不仅具有生长温度低、无毒、原料成本相对低廉等优点,还具有高达60 meV的激子束缚能(后者仅为24 meV),因而获得受激发射的阈值要低得多。另一方面,ZnO还具有丰富的纳米结构,包括纳米线、纳米管、纳米带、纳米环、纳米点等等。当材料尺寸降低至量子尺度时,将出现许多不同于体材料的性能。本文采用脉冲激光沉积(PLD:pulsed laser deposition)方法进行ZnO薄膜与ZnO/ZnMgO量子阱的生长。为了探索量子阱的生长条件,我们首先研究了生长温度、氧压、缓冲层及退火处理等对制备的ZnO薄膜的形貌特征和晶体质量的影响,获得了取得平整薄膜的最佳生长参数。在此基础上,实现了ZnO/ZnMgO量子阱的可控生长,并且深入分析了其光致发光性能。现简要介绍如下:1、利用PLD方法探索了ZnO薄膜的生长工艺。本文通过改变生长温度、氧压、激光器等参数,分析了衬底温度、薄膜厚度、缓冲层、退火处理等对薄膜的形成和形貌的影响。2、探索了衬底温度的改变对ZnMgO:Al合金薄膜的结构与电学性能的影响,当生长温度为350℃获得了最低电阻率为5.6×10-4Ωcm的薄膜,分析了电阻率发生改变的原因,为今后制备调制掺杂超晶格结构打下了良好的基础。3、在最佳生长条件下,通过改变阱层厚度、势垒层厚度及组分等结构参数在Si(111)衬底上可控地制备出一系列ZnO/ZnMgO多量子阱,透射电镜(TEM)结果表明这些量子阱具有良好的周期性结构。4、通过对光致发光(photoluminescence,PL)结果分析表明,量子阱室温下的带边发光具有激子特征。随着势阱层的厚度减小,势阱层PL发射峰发生蓝移,这是量子约束(尺寸)效应。我们还从实验结果中发现,量子阱具有高于体材料的激子束缚能,并且激子束缚能随着势阱层厚度的减小而增加。5、通过对ZnO/ZnMgO单量子阱和多量子阱的PL谱随温度的变化情况发现,量子阱中的激子在低温下是“局域化”的,随着温度的上升,激子逐渐地“去局域化”转化为自由激子。本文还发现,“势谷”的深度受势阱层的厚度和势垒层的组分影响。
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