ZnO的激光分子束外延法制备及X射线研究

利用激光分子束外延(L-MBE)技术在α-Al2O3(0001)衬底上生长出了沿C轴高度择优取向的ZnO外延薄膜,并采用Philips四晶高分辨X射线衍射仪(Philip′s X′Pert HR-MRD)对ZnO薄膜的表面及结构特性进行了研究.应用小角度X射线分析方法(GIXA)对ZnO薄膜的表面以及ZnO/Al2O3界面状况进行了定量表征.X射线反射率(XRR)曲线出现了清晰的源于良好表面及界面特性的Kiessig干涉振荡峰,通过对其精确拟合求得ZnO薄膜的表面及界面粗糙度分别为0.34 nm和1.12 nm.ZnO薄膜与α-Al2O3(0001)衬底的XRD在面(in-plane) Φ扫描结果表明形成了单一的平行畴(Aligned in-plane Oriented Domains),其在面外延关系为ZnO［1010］ ||Al2O3［1120］.XRD ω-2θ 扫描以及ω 摇摆曲线半峰宽分别为0.12度和1.27度,这一结果表明通过形成平行畴及晶格驰豫过程,ZnO薄膜中的应力得到了有效的释放,但同时也引入了螺位错.     

ZnO薄膜的分子束外延生长及性能

利用分子束外延(MBE)和氧等离子体源辅助MBE方法分别在Si(100)、GaAs(100)和蓝宝石Al2O3(0001)衬底上用Zn、ZnS或以一定Zn-O化学计量比作缓冲层,改变衬底生长温度和氧压,并在氧气氛下,进行原位退火处理,得到ZnO薄膜。依据X射线衍射(XRD)图,表明样品的结晶性能尚好,且呈c轴择优取向;实验结果表明在不同衬底上生长的ZnO薄膜,由于晶格失配度不同,其衍射峰也有区别。用原子力显微镜(AFM)观测薄膜的表面形貌,为晶粒尺寸约几十纳米的ZnO纳米晶,且ZnO晶粒呈六边形柱状垂直于衬底的表面。采用掠入射X射线反射率法测膜厚。在360nm激发下,样品的发光光谱是峰值为410,510nm的双峰谱,是与样品表面氧缺陷有关的深能级发光。     

利用P-MBE方法在(400)Si衬底上生长ZnO薄膜

利用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)方法在(400)Si衬底上生长ZnO薄膜。为改善生长后样品的质量,把样品解理成三块后,在不同温度下氧气气氛中退火。通过X射线衍射(XRD)谱和光致发光(PL)谱进行表征,讨论了用P-MBE方法在Si基上生长的ZnO的室温光致发光发光峰的可能原因。     

衬底温度对ZnO薄膜的结构和光学特性的影响

利用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)设备在蓝宝石衬底上通过改变生长温度,制备了不同的ZnO样品.研究了衬底温度对ZnO的结构、光学和电学性质的影响.样品的晶体结构利用X射线衍射谱进行表征.X射线衍射谱表明,所有的ZnO样品都是(002)取向的六角纤锌矿结构.随着生长温度的升高,X射线的(002)衍射峰的半峰全宽逐渐...     

重掺硼快速退火分子束外廷硅的X射线衍射研究

利用Ｘ射线双晶衍射，测量了经过８００－１１００℃快速退火处理的重掺硼的分子束处延硅中的应用情况，发现应变部分驰豫，并得出延层与衬底硅的晶格失配与替位硼浓度成正比，比例系数β为５．１，在此测量基础上，提出硼团簇的形成与分解是外延层格质量电学性质变化的主要原因。     

退火对ZnO薄膜质量的影响

用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在蓝宝石（0001）衬底上制备了c轴取向的高质量的ZnO薄膜,通过在生长温度下氧气和氮气中退火处理的比较,研究了退火对ZnO薄膜结构和发光特性的影响。通过X射线衍射测量得知,经过氮气和氧气退火都可以使其002峰增强,且在氧退火中表现得尤为明显。光致发光测量发现氮气中退火的ZnO薄膜的紫外发光峰明显增强,而深能级发光峰明显减弱;而氧气中退火的ZnO薄膜的紫外发光峰略有减弱,而深能级峰显著增强。     

在a-平面蓝宝石衬底上分子束外延生长的ZnO和ZnMgO材料结构和光学性质(英文)

氧化锌材料是新一代宽禁带光电子半导体材料,我们通过等离子体分子束外延设备,在a plane的蓝宝石衬底生长了高质量的氧化锌外延材料。在生长过程中用反射高能电子束衍射仪(RHEED),在位地研究了生长时材料薄膜的表面形貌。通过调节ZnMgO材料镁的组份,生长了禁带宽度可调的宽禁带材料。用紫外-可见透射光谱研究了ZnO,Zn0.89Mg0.11O和Zn0.80Mg0.20O薄膜材料的透射和吸收光谱性质,观察到Zn0.89Mg0.11O,Zn0.80Mg0.20O材料的吸收边的蓝移现象等。以上说明了我们用分子束外延生长 收稿日期:2003 07 22·09·　　第1期StructuralandOpticalCharacterizationofZnOandZnMgOFilmsona-planesapphiresbyMolecularBeamEpitaxy2004年设备成功的生长了高质量的氧化锌和组份渐变的ZnMgO薄膜材料。     

氮气氛中高温退火对ZnO薄膜发光性质的影响

以二乙基锌和水汽分别作为锌源和氧源,用LP-MOCVD方法在p型Si(100)衬底上生长了单一取向的ZnO薄膜。对得到的样品在氮气气氛中进行高温热处理,退火温度分别为900,1000,1100℃。利用室温PL谱、XRD、AFM、XPS等方法对样品的性质进行了研究。研究表明:(1)随着退火温度的升高,样品的结晶性质也逐渐提高,从表面形貌观察到晶粒尺寸逐渐增大;(2)当退火温度从900℃升高至1000℃时,样品的光致发光谱中可见光波段的发光强度有所减弱,而紫外波段的发光强度明显增强;当退火温度升高至1100℃时,可见光波段的发光几乎完全被抑制,而紫外波段的发光强度急剧增强。分析认为,高温退火改善晶体结晶质量的同时调制了样品的Zn/O比,氮气气氛下的热处理使得样品内的氧原子逸出,来自受主缺陷OZn的可见发射随温度升高逐渐减弱,而当退火温度达到1000℃以上时样品成为富锌状态,此时与施主缺陷Zni有关的紫外发射急剧增强。     

高质量ZnO及BeZnO薄膜的发光性质

用分子束外延设备插入缓冲层在c面蓝宝石上生长得到高质量ZnO和BeZnO薄膜。XRD测试显示薄膜具有六方结构和c轴取向,并具有良好的晶体质量,其中ZnO薄膜的半高宽仅为108 arcsec,Be_xZn_1-xO薄膜的半高宽小于600 arcsec。对ZnO和BeZnO薄膜的拉曼光谱进行对比研究发现,随着Be元素的掺入,A₁(LO)、A₁(2LO)声子模频率往大波数方向移动,并且首次发现了与Be元素掺杂有关的局域振动模。利用变温光致发光光谱研究了薄膜的发光性质,结果显示ZnO薄膜室温光致发光只出现一个紫外发发光峰(378 nm),而低温光谱(80 K)则出现了很强的自由激子发光峰。随着温度的升高,束缚激子发光逐渐湮灭向自由激子发光转变,并且峰值位置红移。相对于ZnO薄膜,BeZnO薄膜的紫外发光主峰位置蓝移,并且由于Be元素的掺入导致薄膜晶体质量下降,在低温(80 K)光致发光光谱中没有出现强的自由激子发光峰。另外,在低温光致发光及拉曼光谱中,主峰位置在100~200 K之间有局部最大值,推测为由于合金晶格热膨胀系数失配而引起的应力效应。     

低温外延生长平整ZnO薄膜

在较低温度下实现平整ZnO薄膜的生长有利于ZnO的可控p型掺杂以及获得陡峭异质界面。本文使用分子束外延方法,采用a面蓝宝石为衬底,在450 ℃下生长了一系列ZnO薄膜样品。在富氧生长的条件下,固定氧流量不变,通过调节锌源温度来改变锌束流,以此调控生长速率。样品的生长速率为40~100 nm/h。通过扫描电镜（SEM）表征发现：在高锌束流的生长条件下,样品表面有很多不规则的颗粒;降低锌的供应量后,样品表面逐渐平整。原子力显微镜（AFM）测试结果表明：样品的均方根表面粗糙度（RMS）只有0.238 nm,接近于原子级平整度。这种平整表面的获得得益于较低的生长速率,以及ZnO外延薄膜与a面蓝宝石衬底之间小的晶格失配。     

分子束外延方法生长p型氧化锌薄膜

用等离子辅助分子束外延 (P MBE)的方法 ,在蓝宝石c 平面上外延生长了p型氧化锌薄膜。在实验中采用高纯金属锌作为Zn源、NO作为O源和掺杂源 ,通过射频等离子体激活进行生长。在生长温度 30 0℃ ,NO气体流量为 1.0sccm ,射频功率为 30 0W的条件下 ,获得了重复性很好的p型ZnO ,且载流子浓度最大可达 1.2× 10 19cm-3 ,迁移率为 0 .0 5 35cm2 ·V-1·s-1,电阻率为 9.5Ω·cm。     

Reduction of dislocation density and improvement of optical quality in ZnO layers by MgO-buffer annealing

Optical properties of ZnO thin films with/without MgO-buffer annealing were investigated by low and room temperature photoluminescence measurements. The ZnO films were grown on c-sapphire substrates by plasma-assisted molecular-beam epitaxy employing a thin MgO-buffer layer. Dislocation density of ZnO layer was reduced from 5.3 × 10⁹ to 1.9 × 10⁹ cm⁻² by annealing MgO-buffer prior to the growth of ZnO. The intensity of free exciton emission from the sample with MgO-buffer annealing was almost twice of that from the sample without annealing, while the deep level emission from the sample with MgO-buffer annealing was about 1/3 of that without annealing. The MgO-buffer annealing improves optical quality of overgrown ZnO films.     

退火对常压MOCVD法生长的高结晶性能 ZnO薄膜发光特性的影响

研究了氧气退火和氮气退火对ZnO薄膜发光特性的影响。ZnO膜是采用常压金属有机化学气相沉积（MOCVD）法在蓝宝石（0001）衬底上生长的。原生样品1有一很强的紫外峰及较强的绿光峰（525nm附近）;原生样品2有很强的紫外峰,深能级发光几乎观察不到。然后从不同原生膜上取两块小样品,分别在氧气和氮气中退火,退火温度是400,500,600,700,800℃。结果表明,在700℃以下退火,退火气氛对ZnO膜的深能级发光影响较大;超过700℃后,退火温度对ZnO薄膜的发光影响大,但退火气氛影响不太明显。通过退火对ZnO薄膜发光特性的影响,讨论了ZnO膜中525nm附近绿光峰的起源。     

MBE生长ZnO薄膜的结构和光学特性的研究

用等离子体源辅助分子束外延(P-MBE)方法在蓝宝石(0001)面上生长出了高质量的ZnO薄膜,并对其结构和发光特性进行了研究。在XRD中只观察到ZnO薄膜的(0002)衍射峰,其半高宽(FWHM)值为0.18°;而在共振Raman散射光谱中观测到1LO(579 cm-1 )和2LO(1 152 cm-1 )两个峰位,这些结果表明ZnO薄膜具有单一c轴取向和高质量的纤维锌矿晶体结构。在吸收光谱中观测到自由激子吸收和激子-LO声子吸收峰,这表明在ZnO薄膜中激子稳定的存在于室温,并且两峰之间能量间隔为71.2 meV,与文献上报道的ZnO纵向光学声子能量(71 meV)相符。室温下在光致发光光谱(PL)中仅观测到位于376 nm处的自由激子发光峰,而没有观测到与缺陷相关的深能级发射峰,表明ZnO薄膜具有较高的质量和低的缺陷密度。     

退火对ZnO薄膜光学特性的影响

用射频磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备出ZnO薄膜,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和光致发光(PL)谱等研究了退火温度对ZnO薄膜结构和光学性质的影响。测量结果显示,所制备的ZnO薄膜为六角纤锌矿结构,具有沿c轴的择优取向;随着退火温度的升高,(002)XRD峰强度和平均晶粒尺寸增大,(002)XRD峰半高宽(FWHM)减小,光致发光紫外峰强度增强。结果证明,用射频磁控溅射法通过适当控制退火温度可得到高质量ZnO薄膜。     

氢退火对LPCVD生长的ZnO薄膜光学和电学性能的影响

采用低压化学气相沉积(LPCVD)在玻璃衬底上制备了B掺杂ZnO(BZO)薄膜,研究了氢气气氛退火对BZO薄膜光学性能和电学性能的影响。结果表明:在氢气气氛下退火后,BZO薄膜的物相结构和透光率基本无变化,但BZO薄膜的导电能力却明显提高。Hall测试结果表明:在氢气下退火时载流子浓度基本保持不变,但迁移率却明显提高。实验结果可为进一步提高BZO薄膜的光学电学综合性能提供借鉴。     

分子束外延生长的ZnO压电薄膜及其声表面波器件特性

用RF-MBE在蓝宝石(0001)衬底上引入MgO和低温ZnO双缓冲层生长了ZnO薄膜,并制备了声表面波器件。在ZnO薄膜中,仅观测到(0002)面的XRD,且衍射峰增强,半高宽减小,表明ZnO薄膜c轴取向性更好,晶体结构更优。室温下自由激子吸收峰更尖锐和吸收边更陡峭以及仅观测到自由激子发光,且发光线宽变窄、发光强度变大,表明ZnO薄膜缺陷密度减小,薄膜质量提高。测得该ZnO压电薄膜的电阻率高达4×10⁷ Ω·cm,其声表面波的速度高达5 010 m/s。