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宽带隙半导体ZnO为直接带隙半导体材料,带隙宽度为3-3eV,在室温下激子结合能高达60meV,受激发射阈值低,在蓝紫光发光二极管、紫外激光器等光电子器件方面有巨大的应用潜力,引起人们的热切关注。现己实现了室温下ZnO薄膜由激子复合产生的受激发射。在光电子器件制备中,通常采用异质结、超晶格等结构。有效的异质结、超晶格结构不仅要求禁带宽度可调,而且要求界面之间几乎没有晶格失配。Mg<,x>Zn<,1-x>O是与ZnO构建有效异质结、超晶格结构的理想三元体系。这是由于Mg<2+>(0.057nm)半径与Zn<2+>(0.060nm)半径相近,Mg离子替代晶格中的Zn离子后不会引起晶格常数明显变化。已有报道,脉冲激光沉积法生长的Mg<,x>Zn<1-x>O的基本带隙,可以通过改变Mg含量从3.3eV增加到3.99eV,而晶格常数的变化仅为1%。Mg<,x>Zn<,1-x>O薄膜既可以作ZnO/Mg<,x>Zn<,1-x>O量子阱和超晶格器件的势垒层,也是很好的波长更短的紫外发光材料。
Mg<,x>Zn<,1-x>O薄膜多数采用脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机物化学气相沉积和射频磁控溅射等。溶胶凝胶法也有报导,与其它方法相比,溶胶凝胶法有许多优点,如工艺简单,可大面积成膜,化学计量比容易控制,易掺杂,不需要昂贵的真空系统,制作成本低等。
目前,关于MgZnO固溶体和异质结的报道,大多关注的是镁掺杂引起的带隙展宽,对镁掺杂引起的发光强度变化则很少报导。本文主要工作是,利用水相溶胶凝胶-旋涂法制备Mg<,x>Zn<,1-x>O纳米晶薄膜,并对样品的结构和发光性质进行了研究。主要结果如下:
1.当Mg含量从0到0.2范围内变化时,在室温325nm激光激发下,呈现半高宽小于20hm的强紫外发射,其发射峰位在3.28ev到3.45ev之间可以很好地线性调节,其线性关系优于一些文献报道的溶胶凝胶法制备的Mg<,x>Zn<,1-x>O膜的结果。
2.发现在室温325nm激光或氙灯的激发下,Mg掺杂都能引起样品室温紫外发射强度有很大的提高,在氙灯激发下紫外和可见光发射强度同时有很大的提高。这表明Mg掺杂不仅提高了自由激子复合的效率,也提高了与可见光相关的缺陷浓度。
3.发现溶胶中PVA的浓度、样品的退火温度和前期的热处理等对样品的结构和发光性质也有很大影响,从而使工艺参数得到了优化。
这些结果对进一步发展低成本ZnO基紫外和可见光电子器件具有一定意义。