Effect of Lattice Mismatch on Luminescence of ZnO/Si Hetero-Structure

研究了ZnO薄膜中应力对发光的影响.实验样品为ZnO体单晶、在Si基片上直接生长的ZnO薄膜以及通过SiC过渡层在Si基片上生长的ZnO薄膜.测量了这三种样品的X射线衍射图形、喇曼光谱和光致发光光谱.由X射线衍射图形可以看出,由于SiC过渡层缓解了ZnO与Si之间的晶格失配,使得通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的结晶质量好于直接在Si上生长的ZnO薄膜的质量.进一步通过喇曼谱测量发现,与ZnO体单晶相比,直接在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移1.9cm-1,根据喇曼谱峰位移与应力的关系可以推出薄膜中存在0.4GPa的张应力;而通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移0.9cm-1,对应着0.2GPa的张应力.对照X射线衍射图形的结果可以看出,薄膜中张应力的大小与薄膜的结晶质量密切相关,表明张应力来源于外延层和基片间的晶格失配,晶格失配越大,外延层中产生的张应力越大.有无SiC过渡层的两种薄膜样品的PL光谱中都存在紫外和绿光两种谱带,随样品热处理时氧气分压增加,两种样品都出现绿光增强的相似的变化规律,但有SiC过渡层的样品的变化幅度较小.这一结果说明,绿色发光中心与薄膜的质量,也就是与薄膜中存在的张应力大小有关.在以往研究中得出的非故意掺杂ZnO薄膜的绿色发光中心来源于氧反位缺陷(Ozn),文中研究的结果正好可以解释氧反位缺陷形成的原因.由于薄膜中存在张应力,使得样品的能量升高,其结果必然会产生缺陷来释放张应力,以便降低系统能量.而氧离子半径大于锌离子半径,氧替位锌有利于释放张应力,也就是说,在存在张应力的情况下,Ozn的形成能降低.这一结果进一步证明Si上生长的ZnO薄膜中的绿色发光中心与氧反位缺陷有关.     

应力对ZnO/Si异质结构的光致发光的影响

研究了ZnO薄膜中应力对发光的影响.实验样品为ZnO体单晶、在Si基片上直接生长的ZnO薄膜以及通过SiC过渡层在Si基片上生长的ZnO薄膜.测量了这三种样品的X射线衍射图形、喇曼光谱和光致发光光谱.由X射线衍射图形可以看出,由于SiC过渡层缓解了ZnO与Si之间的晶格失配,使得通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的结晶质量好于直接在Si上生长的ZnO薄膜的质量.进一步通过喇曼谱测量发现,与ZnO体单晶相比,直接在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移1.9cm-1,根据喇曼谱峰位移与应力的关系可以推出薄膜中存在0.4GPa的张应力;而通过SiC过渡层在Si上生长的ZnO薄膜的E2(high)峰红移0.9cm-1,对应着0.2GPa的张应力.对照X射线衍射图形的结果可以看出,薄膜中张应力的大小与薄膜的结晶质量密切相关,表明张应力来源于外延层和基片间的晶格失配,晶格失配越大,外延层中产生的张应力越大.有无SiC过渡层的两种薄膜样品的PL光谱中都存在紫外和绿光两种谱带,随样品热处理时氧气分压增加,两种样品都出现绿光增强的相似的变化规律,但有SiC过渡层的样品的变化幅度较小.这一结果说明,绿色发光中心与薄膜的质量,也就是与薄膜中存在的张应力大小有关.在以往研究中得出的非故意掺杂ZnO薄膜的绿色发光中心来源于氧反位缺陷(Ozn),文中研究的结果正好可以解释氧反位缺陷形成的原因.由于薄膜中存在张应力,使得样品的能量升高,其结果必然会产生缺陷来释放张应力,以便降低系统能量.而氧离子半径大于锌离子半径,氧替位锌有利于释放张应力,也就是说,在存在张应力的情况下,Ozn的形成能降低.这一结果进一步证明Si上生长的ZnO薄膜中的绿色发光中心与氧反位缺陷有关.     

退火对MOCVD法生长ZnO薄膜性能的影响

采用MOCVD方法在(001)Si衬底上生长ZnO薄膜,并在空气中800℃退火1 h.生长及退火样品的XRD图谱均显示了较强的(002)ZnO衍射峰,表明ZnO薄膜为c轴高取向生长.光电子能谱(XPS)分析显示,退火后ZnO薄膜从富Zn生长变为富O生长.在样品的室温PL 谱中,观察到未退火样品的紫外发射峰的中心为3.28 eV,并观察到退火样品位于3.30 eV的自由激子发射峰和位于3.23 eV的施主-受主对的复合发光峰.实验结果表明,退火后ZnO薄膜的晶体质量得到提高.     

衬底温度对常压MOCVD生长的ZnO单晶膜的性能影响

以H2O作氧源,Zn(C2H5)2作Zn源,N2作载气,在50mmAl2O3(0001)衬底上采用常压MOCVD技术生长出高质量的ZnO单晶薄膜.用X射线双晶衍射、原子力显微镜和光致发光技术对样品进行了综合表征,报道了ZnO单晶膜的(102)非对称衍射结果.研究结果表明,在500～700℃范围内随生长温度升高,ZnO薄膜的双晶摇摆曲线半峰宽增宽,表面粗糙度减小,晶粒尺寸增大,在衬底温度为600℃时生长的ZnO膜的深能级发射最弱.     

衬底温度对常压MOCVD生长的ZnO单晶膜的性能影响

以H2O作氧源,Zn(C2H5)2作Zn源,N2作载气,在50mm Al2O3(0001)衬底上采用常压MOCVD技术生长出高质量的ZnO单晶薄膜.用X射线双晶衍射、原子力显微镜和光致发光技术对样品进行了综合表征,报道了ZnO单晶膜的(102)非对称衍射结果.研究结果表明,在500～700℃范围内随生长温度升高,ZnO薄膜的双晶摇摆曲线半峰宽增宽,表面粗糙度减小,晶粒尺寸增大,在衬底温度为600℃时生长的ZnO膜的深能级发射最弱.     

磁控溅射法在LiNbO3衬底上制备ZnO薄膜及性能研究

采用磁控溅射法在(001)LiNbO3衬底上制备了ZnO薄膜,并对其进行了退火处理.利用X射线衍射仪(XRD)、紫外一可见光谱仪和光致发光谱(PL)对ZnO薄膜的结构和光学性能进行了分析.结果表明,ZnO薄膜具有(002)的择优取向,退火后ZnO薄膜的(002)衍射峰的强度增强,半高宽减小,(002)峰向高角度方向移动.退火后样品可见光透过率增加,光学带隙发生红移.退火后的样品,紫外发光峰强度增强,可见光发光峰强度相对减弱.     

LP-MOCVD生长ZnO薄膜的氧源

使用CO2、O2氧源得到了ZnO择优取向薄膜样品,实验证实了小尺寸的交流高压离化器件确实能够为低压金属有机物化学气相沉积(LP-MOCVD)生长ZnO薄膜提供有效的离化氧源支持.运用电晕放电模型和ZnO薄膜台阶生长模型研究了离化效率对电压、气压和不同氧源气体的依赖关系及负氧浓度对生长速率和薄膜质量的影响.对X射线衍射谱、光致发光谱、原子力显微镜和俄歇电子能谱的分析表明,CO2氧源由于离化效率较高,负氧浓度较大,使得生长速率较慢,薄膜表面较为平坦,但表面C污染影响了薄膜内部质量;而O2氧源样品取向更接近(0002)衬底取向,样品内部应力较小,晶格常数更接近正常化学配比的ZnO单晶,这表明最优负氧浓度的存在和气源带来的污染是ZnO生长中必须考虑的问题.     

氧分压对ZnO薄膜结构与光学性能的影响

采用直流磁控溅射法在不同氧分压下制备了ZnO薄膜.用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)仪、荧光分光光度计、紫外-可见分光光度计对样品进行检测.实验表明,氧分压对ZnO薄膜的结构与光学性能影响很大.在样品的光致发光谱中,均只发现了520 nm附近的绿色发光峰,该峰随着氧分压的增大而增强.不同氧分压制备的ZnO薄膜中,氧分压为0.25Pa的样品结晶性能最好,透过率最高.     

Effects of Thickness on Properties of ZnO Films Grown on Si by MOCVD

采用金属有机化学气相沉积方法,在Si(100)衬底上生长出具有高度C轴择优取向的ZnO薄膜.通过X射线衍射、原子力显微镜和室温光致发光谱研究了厚度对ZnO薄膜的结构、表面和光学性能的影响.X射线衍射图显示ZnO薄膜只有单一的(0002)峰,具有高度择优取向.AFM和PL测试表明,在取样薄膜厚度范围内,薄膜的表面质量和发光性能没有随着薄膜厚度的增加而提高.这是因为薄膜在厚度增加的生长过程中,生长模型变化且晶粒增大.     

厚度对Si衬底上生长的ZnO薄膜性能的影响

采用金属有机化学气相沉积方法,在Si(100)衬底上生长出具有高度C轴择优取向的ZnO薄膜.通过X射线衍射、原子力显微镜和室温光致发光谱研究了厚度对ZnO薄膜的结构、表面和光学性能的影响.X射线衍射图显示ZnO薄膜只有单一的(0002)峰,具有高度择优取向.AFM和PL测试表明,在取样薄膜厚度范围内,薄膜的表面质量和发光性能没有随着薄膜厚度的增加而提高.这是因为薄膜在厚度增加的生长过程中,生长模型变化且晶粒增大.     

ZnO/(Ni)薄膜的制备与发光性能的研究

采用直流磁控溅射法制备了ZnO/(Ni)薄膜.研究了氧分压及Ni掺杂对ZnO薄膜的结构、光致发光特性及薄膜中的几种本征缺陷如氧空位(VO)、锌空位(VZn)、氧位锌(OZn)、锌位氧(ZnO)、间隙氧(Oi)、间隙锌(Zni)等浓度变化的影响.实验结果表明,随着氧分压的增大,466nm处的蓝色发光峰增强,掺Ni后蓝色发光峰也增强.通过分析,推测出蓝色发光峰可能是由ZnO薄膜中的间隙锌(Zni)点缺陷引起的.     

Cu掺杂ZnO薄膜光学性质的研究

为了制备结晶质量好的Cu掺杂ZnO薄膜,研究其结构和光学性质,采用脉冲激光沉积方法,在Si衬底上选择不同的衬底温度来制备薄膜。实验成功制得了结晶质量较好的Cu掺杂ZnO薄膜。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜和荧光分光光度计对样品进行了测量和分析。所制备的样品均表现出高度的c轴择优取向,衬底温度为300℃时,薄膜表面形貌均匀致密;在样品的光致发光谱中,发现样品除了在380nm附近出现紫外发光峰外,在460nm附近出现了蓝光发光峰,真正意义上实现了ZnO薄膜的蓝光发射。结果表明,衬底温度对其晶体质量有较大影响。     

Cu掺杂对sol-gel法制备的ZnO:Co薄膜发光特性的影响

采用溶胶-凝胶法制备了Cu、Co共掺的Zn0.95-xCo0.05CuxO(x=0,0.01,0.03,0.05)薄膜,并用金相显微镜和X射线衍射(XRD)研究了样品薄膜的形貌和结构,结果发现掺杂量影响着衍射峰的强度和位置。测量了样品的室温光致发光谱(PL谱),所有样品均观察到紫外发光带和蓝光发光带,同时伴随有较弱的绿光发光带。微量Cu掺杂能够显著提高ZnO∶Co薄膜的发光强度,对样品的发光机制进行了讨论。     

垂直靶向脉冲激光沉积制备ZnO纳米薄膜

用一种新颖的制备纳米粒子与薄膜的垂直靶向脉冲激光沉积(VTPLD)方法,在室温及空气气氛下,于玻璃基底上成功地制备出ZnO纳米薄膜.用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)仪对ZnO纳米薄膜的表面形貌和结构进行了表征,用荧光光谱仪对薄膜的光致发光(PL)性能进行了测量.结果表明,当激光功率为13 W时,沉积出的粒子大小较均匀,尺寸在40 nm左右,且粒子排列呈现出一定方向性;当激光功率为21 W时,沉积的ZnO纳米薄膜图呈现出微纳米孔的连续薄膜.在玻璃基底上沉积的ZnO纳米薄膜有一主峰对应的(002)衍射晶面,表明ZnO纳米薄膜具有良好的c轴取向性.不同激光功率下沉积ZnO纳米薄膜经500 ℃热处理后的PL峰,其强度随激光能量而变化,最大发光波长位于412 nm.     

Properties of Indium-Doped ZnO Films Prepared in an Oxygen-Rich Plasma

Indium-doped zinc oxide (ZnO:In) films were prepared in an Ar:O₂ plasma by reactive magnetron sputtering. The x-ray diffraction (XRD) patterns presented the crystal structures of ZnO:In films, while transmission spectra and photoluminescence (PL) spectra showed the changed band gap and the visible emission from defects, as compared to the PL spectra of undoped ZnO films. It was concluded that the increase of substrate temperature enhanced the crystal quality of ZnO:In films; the incorporation of In made the c-axis constant of the samples larger than that of undoped ZnO films; the blue emission was due to the transition from an unknown donor level by indium doping to the valance band; and the orange-green emission originated from acceptor defects (O_Zn) formed in the O-rich plasma. Meanwhile, the current- voltage characteristics and persistent photoconductivity phenomenon also could be explained by the increased acceptor defects (O_Zn) that formed when the substrate temperature was increased.     

脉冲激光沉积法制备氧化锌薄膜

ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,具有优良的晶格、光学和电学性能,其显著的特点是在紫外波段存在受激发射。利用脉冲激光沉积法(PLD)在氧气氛中烧蚀锌靶制备了纳米晶氧化锌薄膜,衬底为石英玻璃,晶粒尺寸约为28-35 nm。X射线衍射(XRD)结果和光致发光(PL)光谱的测量表明,当衬底温度在100-250℃范围内时,所获得的ZnO薄膜具有c轴的择优取向,所有样品的强紫外发射中心均在378-385 nm范围内,深能级发射中心约518-558 nm,衬底温度为200℃时,得到了单一的紫外光发射(没有深能级发光)。这归因于其较高的结晶质量。     

热氧化法制备ZnO薄膜及其特性研究

用热氧化金属Zn膜的方法在Si(111)衬底上制备ZnO薄膜。X射线衍射结果表明,500℃氧化的样品的结晶性能最好。随氧化温度的升高,薄膜内的应力方向在450~500℃之间发生转变,从沿c轴的张应力变为压应力。500℃氧化的样品的室温光致发光(PL)谱中,紫外峰的半高宽为94.8meV,其强度与深能级发射强度之比高达162。氧化温度超过700℃后,样品的PL谱以深能级发射为主,对此现象产生的原因进行了讨论。     

Effect of 100 MeV O7+ ion beam irradiation on radio frequency reactive magnetron sputtered ZnO thin films

Zinc oxide (ZnO) thin films were deposited on sapphire substrates at room temperature by radio frequency (RF) magnetron sputtering. These films were irradiated with 100 MeV O⁷⁺ ions of the fluencies 5×10¹³ ions/cm² at room temperature (RT) and at liquid nitrogen temperature (LNT). Profilometer studies showed that the roughness of pristine and LNT irradiated ZnO thin films were higher than that of the RT irradiated ZnO thin film. The glancing angle X-ray diffraction analysis reveals a reduced intensity and increased full width at half maximum (FWHM) of the (002) diffraction peak in the case of LNT irradiated film indicating disorder. However, the intensity and FWHM of the (002) diffraction peak in the case of RT irradiated ZnO thin films are comparable to those of the pristine film. UV–visible transmission spectra show that the percentage of transmission and band gap energy are different for RT and LNT irradiated films. While the pristine ZnO thin film exhibits two emissions—a broad emission at 403 nm and a sharp emission at 472 nm in its photoluminescence spectrum; the emission at 472 nm was absent for the irradiated films. The atomic concentrations of zinc and oxygen during the irradiation process were obtained using auger electron spectroscopy.     

Effects of the Cr doping on structure and optical properties of ZnO thin films

Cr-doped ZnO thin films are prepared on glass substrates by the magnetron sputtering technique. An X-ray diffraction (XRD) is used to analyze the structural properties of the thin films. It indicates that all the thin films have a preferential c-axis orientation. The peak position of the (002) plane shifts to the higher 2θ value, and the peak intensity decreases with the increase of Cr doping. The results of the scanning electron microscopy (SEM) show that the surface morphology becomes loose with the incre...     

利用P-MBE在Si(111)衬底上生长氧化锌薄膜及其光学性质的研究

在Si(111)衬底上利用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)生长氧化锌(ZnO)薄膜,研究了在不同衬底生长温度下(350～750℃)制备的ZnO薄膜的结构和光学性质．随着衬底温度的升高,样品的X射线及光致发光的半高宽度都是先变小后变大,衬底温度为550℃样品的结构及光学性质都比较好,这表明550℃为在Si(111)衬底上生长ZnO薄膜的最佳衬底温度;同时,我们还通过550℃样品的变温光致发光谱(81～300K)研究了ZnO薄膜室温紫外发光峰的来源,证明其来源于自由激子发射．