PDF《氧化处理的蓝宝石基片上沉积的》

2 实验方法ZnO / MgO 多量子阱是在JGP450 型超高真空磁控溅射设备上,利 用射频反应磁控溅射方法制备的.实验中用金属Zn 和金属Mg 作为溅射靶,直径均为60 mm, 厚度为3mm, 纯度优于99 99% . 基片采用厚度为3mm,

10 mm *

10 mm 的(0001)取向的蓝宝石单晶基片.溅射前对蓝宝石基片进行清洗处理:将基片依次放入丙酮、乙醇和去离子水中,分别用超声波清洗5min;

用干燥N2 气吹干后,快速放入真空室进行基片处理.蓝宝石基片的处理方法为:在40 Pa 的氧气环境下,退 火4h,退火温度为750℃ . 在样品的制备过程中,基片在两个溅射靶之间交替停留进行沉积,基片与靶的距离为60 mm, 设定基片温度为750℃ . 薄膜沉积过程中使用的Ar 和O2 气体纯度均为99 999% , Ar 和O2 的表观质量流量分别为30 sccm 和7 5sccm, 工作气压为0

1 Pa.

4 个样品具有不同的周期数和沉积时间,依 次为(周 期数/阱层沉积时间): 1# (

36 /

150 s), 2# (

45 /

120 s), 3# (

60 /

90 s)和4# (

90 /

60 s), 其中阱层和垒层沉积时间相同.在沉积多层膜结构之前,在 蓝宝石衬底上高温(750℃ )沉积了MgO 过渡层.图1(a)4 个样品的XRDθ2θ 扫描结果;

(b)3# 样品的XRD 扫描结果ZnO / MgO 多量子阱的周期性结构通过X射线反射(XRR)和X射线衍射(XRD)方法来确定,X射线源为CuKα 辐射,波 长λ=0

15418 nm;

样品的Zn / Mg 含量比例用EPMA1600 型电子探针(EPMA)进行测量,为了使成分分析的结果更加可靠,在样品的表面沉积了金属银层;

多 量子阱的透射光谱是在Lambda

35 UV / VIS 光谱仪上完成的;

表面形貌分析是在Digital IIa 型原子力显微镜(AFM) 上完成的,分析采用接触式模式,所 选取的扫描范围分别为2μm *

2 μm;

多量子阱的光致发光(PL) 光谱测量采用波长325 nm,功率30 mW 的HeCd 激光器作为激发源,低温PL 光谱采用液氦制冷机,温度测量范围为40 K 至室温.3 结果及分析3

1 结构表征及形貌分析图1(a)是4个样品的XRD 谱,在所测角度范围内只有ZnO( 002)及(004)衍射峰,表明样品均具有高c轴取向.同时我们对样品进行了XRD 扫描,测量结果表明ZnO 多层膜与蓝宝石基片之间有较好的外延关系.图1(b)是3# 样品的扫描谱,根据扫描的结果可以确定薄膜和基片之间的外延关系为:ZnO (001)∥ Al2 O3 (001 )和ZnO [100 ]∥ Al2 O3 [ 110](或表示为ZnO(0001)∥ Al2 O3 (0001) 和ZnO[

101 - 0∥Al2 O3 [112 - 0]). 这一结果与蓝宝石基片上直接生长ZnO 的结果[12]是一致的,说明经过氧化处理的蓝宝石基片有利于ZnO 量子阱的外延生长.XRR 测量结果显示4个样品均具有良好的调制周期结构.图2(a)是3# 样品的XRR 谱,从图中可以看到4个明显的Bragg 衍射峰.根据XRR 的运动学理论,超晶格的调制周期可以采用修正的Bragg 公式[13]来计算:sin2 θ = (nλ / 2L)2 + sin2 θC , ( 1) 其中,n是衍射级数,λ是X射线的波长,L是调制周期,θC 是临界反射角.通过线性拟合可以求出该样品的调制周期.同时,我们还可以根据精细的XRD 谱来计算多2040 物理学报59 卷图2(a)3# 样品的XRR 谱;

(b)3# 样品的精细XRD 谱层膜的调制周期.当多层膜在衬底上以外延方式生长时,衍射峰周围会出现多级卫星峰,m级卫星峰的位置由下式给出:sinθ± = sinθB ± mλ / 2L, ( 2) 测量结果显示4个样品的ZnO( 002)衍射峰周围均有多级卫星峰,表明多层膜样品具有良好的调制周期结构.图2(b)是3# 样品的精细XRD 谱 (强 度取对数), 可以看到三级卫星峰(位 于31° 的峰来自于CuKβ (λ =