论文总字数：15670字

摘 要

ZnO是II-VI 族的宽禁带半导体材料(室温下的禁带宽度为3.37 eV）。ZnO的激子结合能高达60meV，远远高于GaN。因此它很容易获得紫外光发射，是一种优秀的半导体材料。ZnO拥有三种晶体结构，同时包含极性和非极性结构。本文采用脉冲激光沉积（PLD）分别在c面及r面蓝宝石衬底上生长ZnO薄膜，在不同的温度下生长出极性和非极性的ZnO薄膜。通过实验获得两种薄膜的XRD，光学透射谱等图像，由实验数据对其物理性质进行一定的研究，并比较得出取向对ZnO薄膜物性的影响。

关键词:氧化锌，脉冲激光沉积，非极性ZnO薄膜，物理性质，XRD

Influence by polar and non-polar orientation on physical properties of ZnO films

abstract

ZnO is a II-VI wide band gap semiconductor materials (band gap at room temperature is 3.37 eV). Exciton binding energy of ZnO up 60meV, far higher than GaN. Therefore, it is easy to obtain UV emission, is an excellent semiconductor material.ZnO has three crystal structures containing both polar and non-polar structure. In this paper, using pulsed laser deposition (PLD), in the c-plane and r-plane sapphire substrate growth of ZnO films grown at different temperatures of the polar and nonpolar ZnO films, respectively. Both images obtained by experimental XRD, optical transmission spectra and other experiment. Certain studies of its physical properties from experimental data and compare results Orientation on the physical properties of ZnO thin films.

Keywords:Zinc oxide, pulsed laser deposition, nonpolar ZnO films, physical properties, XRD

目录

摘要 I

abstract II

目录 III

引言 1

第一章 ZnO材料简介 2

1.1 ZnO的基本性质与应用 2

1.2 ZnO的晶体结构 3

1.3 ZnO薄膜研究现状 4

1.4本文的研究内容及意义 4

第二章 PLD技术简介 6

2.1 PLD的基本原理 6

2.2 PLD系统的结构 7

2.3 PLD技术的特点 8

第三章 实验过程及测试技术 10

3.1 实验过程 10

3.2 测试技术 10

3.2.1 X射线衍射分析 11

3.2.2拉曼光谱 11

第四章 实验数据及分析 12

4.1 X射线衍射数据及分析 12

4.2拉曼光谱数据及分析 13

4.3 吸收光谱数据及分析 14

4.4 透射光谱数据及分析 16

第五章 结论 18

参考文献 19

致谢 22

引言

随着信息时代的到来，微电子技术，尤其是以半导体材料与器件研究为核心的相关技术得到了飞速的发展。随着传统微电子技术逐渐走向瓶颈，作为新一代信息技术的关键部件，各种短波长半导体光电导器件（如发光二极管（LED）、激光二极管（LD）和光探测器等）在相关领域得到了广泛的关注。这类器件在提高光信息存储密度和读取速度、发展光通信技术以及短波长光探测等方面都能发挥重要的作用。

曾经，以硅为代表的第一代半导体材料引领了一次巨大的科技革命，而以GaAs为代表的第二代半导体材料促进了整个社会的信息化。在他们的发展潜力即将耗尽的今天，宽禁带半导体，作为第三代半导体材料，凭借其各方面的优势，必然给我们的生活带来巨大的变化。

作为间接带隙半导体的SiC是最早投入应用的宽禁带半导体之一。关于SiC的技术相当成熟，但是以SiC作基底的LED发光效率非常低，这严重限制了它的应用[1]。80年代以来，p型掺杂问题的攻克使GaN凭借其独特的优势迅速发展，蓝光LED的发明更使LED照明走向千家万户[2]。但是GaN薄膜的生长缺乏合适的衬底，实验条件也相对苛刻。这些因素严重制约了其进一步发展。

本文中所提到的ZnO是在GaN后出现的新型多功能宽带隙半导体材料[3]。它的光电特性与GaN相当，但它的薄膜生长条件低，对设备要求不苛刻，同时，ZnO还有容易刻蚀的特点，这使其加工也变得十分方便。因此，ZnO是十分理想的半导体材料。

在与ZnO相关的众多研究中，本文选取了ZnO薄膜结构对其性质的影响作为研究内容，采用脉冲激光沉积（PLD）分别在c面及r面蓝宝石衬底上生长ZnO薄膜，在不同的温度下生长出极性和非极性的ZnO薄膜。通过实验获得两种薄膜的XRD，拉曼光谱，光学透射谱等图像，由实验数据对其物理性质进行一定的研究，并比较得出取向对ZnO薄膜物性的影响。

1. ZnO材料简介

1.1 ZnO的基本性质与应用

ZnO俗称锌白，是一种两性氧化物，易溶于酸碱但较难溶于水和诸如苯的有机溶剂。自然界中存在的有三种性状，分别是六方结晶，白色粉末和黄色粉末。ZnO密度为5.606g/cm³,熔点为1975℃，分子量81.39，无味且无毒。

ZnO属于的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料。在常温下，ZnO的禁带宽度约为3.37eV，激子束缚能也非常高（约60meV，远高于26 meV的室温热激活能，同时也比 GaAs、GaN、等常见宽禁带半导体高[4]）。因此，ZnO在室温下或者高温下实现受激发射相当容易，因此它在光电子器件方面有非常广阔的应用前景。

因为ZnO的优异性能，使其在各方面都有所应用。由于其室温下具有3.37 eV的禁带宽度，这对应波长368nm的紫外光。因此，一般来说波长高于368nm 的光可以透过ZnO，波长低于 368 nm的光则很容易被吸收。所以ZnO是制作短波长光电器件的理想材料。同时，ZnO的电子亲合势为4.5 eV，这使其有可能被用作电子传输层材料。

ZnO的击穿电压很高，这一特性使其能够承受很大的电场。利用这一点可使ZnO压制噪声的产生，还可以制备在高功率，高温下工作的器件。在电学上，ZnO还有很多应用，比如用于高频器件[5]。

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