PDF《氧化处理的蓝宝石基片上沉积的》

第59 卷第3期2010 年3月10003290 /

2010 / 59( 03)/2038

07 物理学报ACTA PHYSICA SINICA Vol.

59, No. 3, March,

2010 A2010 Chin. Phys. Soc. 氧化处理的蓝宝石基片上沉积的ZnO / MgO 多量子阱的结构及光学性质研究栾田宝刘明鲍善永张庆瑜L(大 连理工大学三束材料改性国家重点实验室,大连116024) (

2009 年6月1日收到;

2009 年6月30 日收到修改稿)采用射频反应磁控溅射的方法,在经过氧化处理的Al2 O3 ( 0001)基片上制备了具有良好调制结构的ZnO / MgO 多层膜量子阱.利用X射线反射率测量、X射线衍射分析、电子探针显微分析、原子力显微镜、透射光谱以及光致发光光谱等表征技术,研究了ZnO / MgO 多量子阱的结构、表面形貌和光致发光等特性.XRD 以及扫描的结果表明多层膜样品具有高c轴择优取向并且与蓝宝石基片有良好的外延关系.通过X射线反射率测量的结果得到多量子阱的调制周期,结合电子探针测得的Zn / Mg 原子比求出了阱层的宽度在8

38 nm 至21

78 nm 之间.原子力显微镜测量结果表明样品的表面均方根粗糙随调制周期的减小而从6

4 nm 增加到21

2 nm. 低温光致发光光谱显示紫外发光峰对应于束缚激子的辐射复合,拟合给出激子激活能约30 meV, 并且在阱宽较小的样品中观测到了量子限域的斯塔克效应对应的发光峰.关键词:ZnO / MgO,多量子阱,反 应磁控溅射,变 温光谱PACC:7280E,6855,7855E 国家自然科学基金(批 准号:10774018)、 国家重点基础研究发展计划(批 准号:2007CB616902)资助的课题.L通讯联系人.Email: qyzhang@ dlut. edu. cn

1 引言ZnO 具有纤锌矿晶体结构,禁 带宽度为3

37 eV, 具有较大的激子束缚能(约

60 meV), 理论上能实现室温下受激辐射.因此,ZnO 被认为是未来紫外光发射器件的理想材料.自从1997 年Tang 等人[1]报道了ZnO 薄膜的光抽运近紫外受激发射现象以来,ZnO 再次成为当今半导体材料研究领域的热点.此后短短几年间,人们探索了多种ZnO 薄膜的制备工艺,对ZnO 薄膜的结构和性能作了大量的研究,取得了较大的进展.多量子阱作为一维人工超晶格结构,由于量子限域效应的存在,不仅可以通过阱层和垒层的变化调节禁带宽度,改 变发射光的波长,而 且可以显著降低电子声 子及电子与其他势阱中载流子的相互作用,从 而提高激子密度及复合发光效率.在ZnO 多量子阱的研究方面,Ohtomo 等人[2]首先利用激光分子束外延方法,在 蓝宝石(0001)基片上制成了ZnO / (Mg, Zn)O 超晶格,观 察到了量子限域效应;

随后,Makino 等人[3― 6]利用同样的方法,在 与ZnO 晶格匹配的ScAlMgO4 基片上生长出质量较好的ZnO / (Mg, Zn)O 多量子阱,观 察到了室温激子发光,并分析了多量子阱的阱宽、温度以及Stark 效应和FranzKeldish 效应等对激子复合过程的影响;

近年来,人们又研究了不同基片、不 同过渡层上生长的ZnO 多量子阱的结构及发光特性[7― 9], 以及ZnO 多量子阱的热稳定性[10]. 当使用晶格匹配的衬底ScAlMgO4 时,ZnO 多量子阱的结构和光学性质比使用蓝宝石衬底时有了很大的改善.但是ScAlMgO4 衬底比较缺乏和昂贵,因此改善在蓝宝石衬底上生长高质量ZnO 量子阱的方法是非常必要的.我们以前的研究表明,经 过氧化处理的蓝宝石基片上磁控溅射生长的ZnO 薄膜的表面粗糙度较未氧化处理的蓝宝石基片上沉积的ZnO 薄膜有显著的降低[11]. 基于该实验结果,本文采用射频磁控溅射的方法在氧化处理的蓝宝石衬底上沉积了ZnO / MgO 多量子阱,测 量了样品的调制周期结构,观察了室温光致发光光谱及量子限域效应,并研究了量子阱的低温激子特性.3期栾田宝等:氧 化处理的蓝宝石基片上沉积的ZnO / MgO 多量子阱的结构及光学性质研究2039