m面蓝宝石上ZnO/ZnMgO多量子阱的制备及发光特性研究

利用等离子体辅助分子束外延设备(P-MBE)在m面的蓝宝石(m-Al₂O₃)衬底上制备了ZnO/Zn_0.85Mg_0.15O多量子阱.反射式高能电子衍射谱(RHEED)图样的原位观察表明,多量子阱结构是以二维模式生长的.从光致发光谱中可以看到ZnO/Zn_0.85Mg_0.15O多量子阱在室温仍具有明显的量子限域效应.在290 K时阱宽为3 nm的ZnO/Zn_{0.85关键词： 等离子体辅助分子束外延 ZnO多量子阱 光致发光}     

热处理对立方相结构Mg0.57Zn0.43O合金薄膜表面和组成的影响

MgZnO合金具有可覆盖日盲紫外波段的禁带宽度和晶格匹配的单晶衬底,是理想的日盲紫外探测材料.由于MgO和ZnO分属立方相和六角相,分相问题使高质量单一相MgZnO难以获得.热处理是提高薄膜结晶质量的有效手段.利用MOCVD方法制备了单一立方相Mg0.57Zn0.43O合金薄膜,研究了薄膜的退火行为对薄膜结构和光学性能...     

ZnO/Ag/ZnO多层结构薄膜的光电性质

通过磁控溅射方法生长了不同银层厚度的ZnO/Ag/ZnO多层结构的薄膜,并对其形貌、光吸收谱、光致发光和光响应特性进行了比较研究.结果表明ZnO薄膜中银薄层的加入使得光致发光的强度增强.银层厚度为6 nm样品制成的器件在350 nm处的光响应度为0.06 A/W,相对于ZnO薄膜提高了一个数量级.而当银层厚度达到15 ...     

Boosting the performance of crossed ZnO microwire UV photodetector by mechanical contact homo-interface barrier

One-dimensional (1D) micro/nanowires of wide band gap semiconductors have become one of the most promising blocks of high-performance photodetectors. However, in the axial direction of micro/nanowires, the carriers can transport freely driven by an external electric field, which usually produces large dark current and low detectivity. Here, an UV photodetector built from three cross-intersecting ZnO microwires with double homo-interfaces is demonstrated by the chemical vapor deposition and physical transfer techniques. Compared with the reference device without interface, the dark current of this ZnO double-interface photodetector is significantly reduced by nearly 5 orders of magnitude, while the responsivity decreases slightly, thereby greatly improving the normalized photocurrent-to-dark current ratio. In addition, ZnO double-interface photodetector exhibits a much faster response speed (～ 0.65 s) than the no-interface device (～ 95 s). The improved performance is attributed to the potential barriers at the microwire—microwire homo-interfaces, which can regulate the carrier transport. Our findings in this work provide a promising approach for the design and development of high-performance photodetectors.     

氧化锌基材料、异质结构及光电器件

Ⅱ-Ⅵ族直接带隙化合物半导体氧化锌（ZnO）的禁带宽度为3.37 eV,室温下激子束缚能高达60 meV,远高于室温热离化能（26 meV）,是制造高效率短波长探测、发光和激光器件的理想材料。历经10年的发展,ZnO基半导体的研究在薄膜生长、杂质调控和器件应用等方面的研究获得了巨大的进展。本文主要介绍了以国家“973”项目（2011CB302000）研究团队为主体,在上述方面所取得的研究进展,同时概述国际相关研究,主要包括衬底级ZnO单晶的生长,ZnO薄膜的同质、异质外延,表面/界面工程,异质结电子输运性质、合金能带工程,p型掺杂薄膜的杂质调控,以及基于上述结果的探测、发光和激光器件等的研究进展。迄今为止,该团队已经实现了薄膜同质外延的二维生长、硅衬底上高质量异质外延、基于MgZnO合金薄膜的日盲紫外探测器、可重复的p型掺杂、可连续工作数十小时的同质结紫外发光管以及模式可控的异质结微纳紫外激光器件等重大成果。本文针对这些研究内容中存在的问题和困难加以剖析并探索新的研究途径,期望能对ZnO材料在未来的实际应用起到一定的促进作用。     

不同Ar/O2气压比例条件下立方MgZnO薄膜生长特性及紫外光吸收特性

利用脉冲激光沉积技术在非晶石英衬底上制备了立方结构MgZnO薄膜,研究了在不同Ar/O₂气压比例条件下,立方结构MgZnO薄膜的生长取向、光学带隙和Mg/Zn含量比例的变化规律。当固定氧气分压为2 Pa、通过注入惰性的Ar气使生长气压从2 Pa升高到7 Pa时,MgZnO薄膜的生长取向由（200）向（111）转变。当生长气压从2 Pa升高到6 Pa时,MgZnO薄膜光学带隙变窄。而当生长气压从6 Pa升高到7 Pa时,MgZnO薄膜光学带隙反而变宽。通过XPS数据分析,不同生长气压下MgZnO薄膜光学带隙的变化规律与薄膜Mg/Zn含量比例的变化规律不一致,MgZnO薄膜中Mg和Zn与O的结合情况的变化对薄膜的光学带隙也有影响。     

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。     

生长温度对立方MgZnO薄膜生长取向和紫外光吸收特性的影响

利用脉冲激光沉积技术在非晶石英衬底上制备立方结构MgZnO薄膜,并研究MgZnO薄膜结晶特性、光学带隙随生长温度的变化情况。当生长温度从150℃升高到700℃时,MgZnO薄膜的生长取向由（200）向（111）转变。在600℃以下,MgZnO薄膜光学带隙的变化规律与晶格中Mg和Zn原子比例的变化趋势是一致的;而当温度升至700℃时,虽然MgZnO晶格中Mg和Zn原子比例降低,但由于平均晶粒尺寸变大,薄膜的光学带隙反而上升。在300℃和700℃晶格匹配的情况下,获得了单一（200）和（111）取向的立方MgZnO薄膜。     

Mg含量对Mg_xZn_(1-x)O∶Ga薄膜电学性质的影响

通过金属有机物化学气相沉积法制备了不同Mg组分的MgxZn1-xO∶Ga(x=0,0.03,0.14)薄膜。透射谱中MgxZn1-xO∶Ga薄膜的光学带隙随x增大而出现的蓝移证实了Mg在Zn O晶格中的替位掺入。薄膜上金叉指电极间的变温I-V曲线显示,在同等温度下,Ga掺杂MgxZn1-xO薄膜的电阻率随着x值的增大而逐渐升高。这是由于Mg组分增大使材料的导带底显著上升,Ga的施主能级深度增大,导致n型载流子浓度降低。根据I-V曲线计算了270 K温度下MgxZn1-xO∶Ga薄膜的浅能级施主深度。与x=0,0.03,0.14对应的施主能级深度分别为45.3,58.5,65 me V,说明随着薄膜Mg含量的升高,Ga的施主能级深度有增加的趋势。     

用等离子体辅助分子束外延生长氧化锌单晶薄膜

利用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)方法,通过优化生长条件,在c平面蓝宝石(Al_2O_3)上生长出氧化锌(ZnO)单晶薄膜。使用反射式高能衍射仪(RHEED)原位监测到样品表面十分平整,X射线摇摆曲线(XRC)测得ZnO薄膜的<002>取向半峰全宽为0.20°,证实为ZnO单晶薄膜。室温下吸收谱(ABS)和光致发光(PL)谱显示了较强的激子吸收和发射,且无深能级(DL)发光。电学性能测量表明,生长的ZnO为n型半导体,室温下载流于浓度为7×10~(16) cm~(-3),与体单晶ZnO中的载流子浓度相当。