（粒子物理与原子核物理专业论文）si基zno薄膜的慢正电子研究.pdf

摘要 摘要 z 赶0 是一种l l - 磷族直接带隙的宽禁带半导体材辩，在室温下其禁带宽度为 3 ，3 6 e v ，激予束缚熊为6 0 m e v ，具有寝好麓热稳定性和化学稳定牲。1 9 粥年香 港和闩奉科学家在第2 3 届半导体激光器国际会议上首次报道z n o 微结构的紫外 受激发射。随后，在1 9 9 7 年5 月9 同出版的s c i e n c e 杂志以“w i l lu vl a s e r sb e a t 氇eb l 豫s ? ”为题，高度评价了氧化锌在紫於激光器的应用前景，跌两在慰际范黉 内掀起了研究氧化锌的热潮。另外，作为第三代半导体材料，z n o 在离效率光 散发设错和其他光学方面也有很好的应用前景，但是材料中的点缺陷是影h 向其 光学和电学性质的重要因素，因此准确鉴别和量化材料中的点缺陷就疑褥尤菇 重要。 正电子湮没谱学( p o s i t r o n a n n i h i l “o ns p e c t r o s c o p y ) ，是一门把核物理和核 技术应用于固体物理和材料科学研究的新技术，还可应用与化学和生物等学科。 阂其无损、灵敏度高等特点，丽在材料微缺陷研究中得到了广泛的应用和越来 越多的霞视。 本论文主要围绕s i 基z n o 异质外延薄膜的性质展开研究，利用正r u ”r 潭没 技术，同时结合x 射线衍射分柝，拉曼散射谱j 以及光致发光谱等测试手段楣辅 裙减，瓦为补充，英缀采对于z 的零孝料的生长和应用都具有很好的指导作餍。 主要的研究工作和结果如下： l 。扁质缓冲层生长糯0 壤i 薄膜魏研究 利用x 射线衍射( x r d ) ，i f 电子湮没谱学( p a s ) 和光致发光谱( p l ) 等 方法研究了不同厚度闹质缓冲层生长的z n o s i 薄膜。通过改变直流溅射时间， 在s i 树底上溅射一一层不同厚度鲶z n 0 缓冲层，嚣剥鹰l p m o c v d 生艮离质量 的z n 0 薄膜。通过研究发现，没有缓冲层豹z n 0 薄膜楚取翔性较菱麓多蕊薄膜， 而随着缓冲层的引入，薄膜的取向性明显变好。慢正电子观测到溥膜内币l 乜1 r 的捕获缺陷主要是z n 空位( v z 。) ，并且在靠近薄膜和缓冲层的界匝窄他浓度变 大。然两随羞缓冲瑟的簿度麓增加，薄膜酶结晶蔟量开始下降，缺陲浓度开始 增加以及发光性质丌始变差。可见缓冲层的引入对薄膜质量有显著影响。 另外，我们还比较了s i ( 1 0 0 ) 衬底和s i ( 1 11 ) 衬底生长的同质缓冲层薄膜，发 现以s i f 0 0 ) 做衬底，最电子在薄膜内观察到的缺陷也是z n 空位( v z 。) ，随着缓 l 摘要 冲层厚度的增加，缺陷浓度以及光致发光的变化趋势同s i ( 1l1 ) 为衬底是完全一 致的，但是以s i ( 1 0 0 ) 为衬底的薄膜空位缺陷浓度更大，并且光致发光谱测量表 明还产生了更多缺陷类型( n o ) ，这些都说盟s i ( 1 0 0 ) 上生长的薄膜质量不如以 s i ( 1l1 ) 为衬底生欧的薄膜。 2 退火对n 掺杂z n o s i 薄膜的影响 利焉x 射线衍射 一 _ 滞“+ ? 一， 一 _ ill ”n s ： l5 r 嘶妇or 削v 图1 4 缺陷形成麓隧费米熊缀麓变化。( a ) 喜氧融；) 寓锌时。价豢最大值被选作费米 能级零点，o 9 6 e v 处韪导带最小值。 存在较多空位型或者填隙原子时，晶格中的l 瞄近原予在缺陷的作用下发生弛豫， 雩| 起晶格畸变。在z n 0 晶体中，当z n ，原子较多时，z n ，与晶耨中临近原子之闻 会存在相应的斥力，使得c 轴方向表现为张应力，导致相邻晶面内原子间距增 加；相反，v 。是主要缺陷时，c 轴方向成压应力，原子间距变小。 9 第l 章绪论 的电子很难跃迁到受主能级上，因此都不是很好的受主掺杂元素。而目前关于 v 族元素掺杂制备p 型z n 0 的研究开展的比较多，以不同的v 族元素( n 、p 、 a s 、s b ) 为受主进行掺杂都获得了p 型z n 0 。k o b a y a s h i 在1 9 8 3 年就提出掺n 制 备p 型z n o l 跹j ，随后各研究小组采用不两的n 掺杂源( n 2 、n 奠3 、n 0 、n 2 0 、 z n 3 n 2 ) 都制备出了p z n o ：n 薄膜。例如l o o k 等人【8 3 】在半绝缘的“扩散z n o 衬底上采用分子柬外延( m b e ) 技术以n 2 为掺杂源成功制备了了p 型z n o 薄膜。 s l m s 测试表明薄膜中n 的浓度高达 o 挎e 擞。，h 舔l 测试得到空穴浓度为 9 1 0 1 6 c m 一，霍尔迁移率2 c m 2 s 。y e 等人1 8 4 1 认为n 和h 在z n o 中是以n o 。h 的复合形式存在，h 的掺入可以有效促进n 在z n 0 中的掺入量，并且抑制本征 施主缺陷( z n i 、v o ) 的形成，在适宜的温度和气氛下，n 0 h 键会在后来的生 长过程中或者退火过程中断开，n 得以活化，从丽作为有效受主n o 存在，得到 p z n o ：n 薄膜。另外等人【8 5 j 基于第一性原理提出与n 2 0 相比，n o 是更有 效的掺杂源，计算表明n o 作为掺杂源时，n o 缺陷的生成能比n 2 0 作掺杂源时 要低。另一方面，在n 元素受到关注的丽时，与n 同一主族熬p 、a s 、s b 等元 素也弓l 起了人们的兴趣。2 0 0 3 年，k i m 等人1 8 6 j 将磁控溅射制备的z n 0 ：p 薄膜 快速热处理后获得了p 型z n o ，薄膜具有较好的电学性能：空穴浓度 l 。o 1 0 强。l ，7 l o w e 糙。，迂移率0 。5 3 3 。5 l c m 2 丹s ，f 照阻率o 5 9 4 。4 q c m 。藤 d c k o l ( 等人l 翮l 以z n 3 a s 2 为衬底以热扩散的方法获褥了电阻率为o 4 q e m 的 a s 掺杂p 型z n 0 薄膜。x i u 等人1 8 8 j 尝试用s b 作为掺杂元素制备p 烈z n o 也获 得了成功。 当然，除了受主单掺制备p 型z n o 材料，还有另外种方法就是弧m 锄渤 提出的施主受主共掺技术1 3 。他认为i i i 族元素掺入z n o 会导致马德隆能量降低， 而n 掺入时山二于局域化的原因会导致马德隆能量升高，但是当1 1 i 族元素与n 共 掺时，会形成施主受主对，可以有效的降低系统的马德隆簏量。同时，纯还指 出g a n 共掺效果最好，a l _ n 共掺次之，l n n 共掺效果最差。但是，共掺法引 入了额外的施书元素，使得薄膜中电离杂质的浓度增加，对载流子的散射作用 增强，因此用共掺法获得的p 型z n o 中的迁移率都比较低。 1 4 正电子湮没技术对z n o 材料的研究进展 虽然已有大量的针对z 珏o 半导体材料的研究工作，假出予能够阂于磷究微鼹 1 2 第1 章绪论 缺陷和电子结构的实验手段非常有限，至今人们对与z n 0 材料缺陷有关的一些基 本问题仍不甚了解，这阻碍了电子器件微型化的发展进程。正电子湮没技术是 探测固体内部的微观缺陷和电子结构的实验于| 段，正电子对固体内部的微观缺 陷十分敏感，即使固体内部仅存极少量的缺陷，用正电子湮没技术办能探测到， 而且正电子湮没技术是一种无损检测方法。图1 6 标明了正电子湮没谱学研究的 尺度范围以及与其他一些材料研究手段的比较。 f 一卜一： 鑫由 垂蔼，f _ | | 二量 ? ： _ 曩i + i | 羔一一之，钮瀵藜| _ 二耋1 鳓蝻赫s p 氆蕊鬻漆童jj 1 正电子湮没寿命谱能够提供正电了湮没前所在处的电子密度，可给出固体 中缺陷浓度、缺陷大小等信息。 正电子湮没辐射多普勒( d o p p l e r ) 腱宽谱i - j 提供湮没电子的动量分布信息，对 多普勒曲线的高能量部分( 翼区) 的研究，可荻得原予内层电了状态的“指纹”一。 但在传统的单，探头多普勒展宽装置中，湮没谱本底较高。能量较高的湮没光 子的强度与本底相当，因而难以从这部分多普勒曲线的形状和振幅中提取核心 电子的信息。最近发展起来的双探头符合技术，大幅度地降低了正电予湮没辐 射多普勒展宽谱的奉底，谱线的峰高与奉底之比高丁二1 0 4 。从谱线的高能量部分 f 翼区 提取原子内层电子状念的信息。不f d 的原了其内层电了的动量分布不 第l 章绪论 同，测量材料中原子的内层电子的动量分布，可获得该原子微结构的信息，并 据此区分不同的化学元素。 慢正电子技术具有能量单色性及连续可调等优点，同时具有正电子湮没谱 对缺陷及原子尺度微结构变化的灵敏性，因此可以分鼷探测固体内部局域电子 密度和动量分布，从而得到近表面、薄膜和界面微结构和缺陷的许多信息。 到目前为j i 卜，利用正电子湮没技术研究z n o 半导体材料中的缺陷已经取得 了巨大的进展和丰硕的成果。表l 。2 列出了国内外一些正电子研究小组褥到酶不 同z n 0 晶体中的正电子寿命结果。 表重。2 不同z n o 晶体中的正电子寿命值 u n d o p e ds i n g l ec l y s t a l 1 9 1 】 t b u i k 2 l6 9 2p s ， t d e 慨t 2 2 0 3 3p s e a g l ep i c h e r 【9 2 】 t b u i k = 1 61 2p s ， t d 出t = 2 0 9 土6p s ( m o n o v a c a n c y ) c 拶s t a l ”您c h 嗣 b t 。像= l7 3 2p s ， td e f e e l = 2 0 7 6p s ( m o n o v a c a n e y ) s e e dv a p o rp h a s eg r o w n 1 9 3 】 t b 。l l k 217 0 p s ， t d e f e 。t 2 2 3 0 _ 2 6 5p s ( z n v a c a j l c y ) c e r m e l ( m e l t e dg 附w n ) 9 4 】 t b u l k = ：1 5 1 2p s ，t d e 钕t - 2 5 7 童6p s ( z n 幸od i v a c a n c y ) t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n1 9 5 】 t b u l k2 1 5 3p s ， t d 锄2 2 1 7p s ( z nv a c a n c y ) 尽管现在对于z n o 缺陷的研究已经非常深入，但是由于z n o 怒一种化合物 半导体，其点缺陷种类很多，而且缺陷之间在不同条件下还会发生反应，生成 新的复合缺陷，同时圈内外各个z n o 研究小组的研究对象，研究手段不完全一 致，因此有些观点还存在争论和矛盾。例如关j ：本征的来故意掺杂的z n o 通常 呈现n 型导电的原理尚没有完全清楚，0 空位( v o ) 、z n 填隙( z n i ) 和h 原子 都被认为是有可能的本征施主。理论和实验已经证实了h 原子在z n 0 巾是扮演 了浅施主杂质的角色1 9 6 ，蚓；电子辐照实验表明了z 嚣i 是占据优势的施主缺陷酗， 但是也有研究表明z n i 并不是本征z n o 中的施主缺陷i 旧列：同时v o 作为浅施主 到现在还存在很多争论1 9 也1 0 ，虽然通过第性原理理论计算预言了v ( ) 是深能级 缺陷 ，并，曩f a s e l i m 等人 w 3 j 通过正电子湮没实验待到了v o 施主能级约为 1 4 第1 章绪沦 0 。7 e v ，但是t u o m i s o 等人【勉j 通过正电子湮没谱的结果得到的v o 畿级位于导带 底下1 0 0 m e v 。另一方面，通过正电子湮没技术也观察到了v z 。是正电子主要的 捕获中心【9 3 ，1 0 4 1 ，是材料中主要的受差缺陷。除此之外，j f 电子湮没技术也广泛 的用于电子l 4 弱、质子 1 0 5 l 以及各群离子注入 溺1 。8 ，1 8 1 后缺陷的产生、热运动以及 消除。 因此，正电子湮没技术在材料物理实验巾，由于对负电性点缺陷非常灵敏 而具有其他测试手段无可比拟的优势。两s i 作为一种成熟的半导体材料，与其他 衬底褶比，具有绝对的价格优势；同时，s i 衬底上制各z n o 薄膜也便于器件的大 规模集成。因此研究s i 衬底的z n 0 异质外延有非常重要的意义。 本论文的工作是和中困科学技术大学物理系傅竹西老师的z n o 谍题组共同 合作分桥完成的。稠用本实验室的慢币电子技术实验，同时结合其他的些测 试手段，如x 射线衍射谱、拉曼光谱、光致发光谱等，研究了l 司质缓冲层生长 z n o s i 薄膜和n 掺杂z n o s i 薄膜的性质，对z n o 薄膜的生长和制备提供定 的指导意义。 1 5 论文结构 本论文的结构如下： 第1 章：概述了z n o 的基本性质、缺陷和掺杂的一些研究进展 第2 章：详细介绍了正电予谱学的物理苯础以及实验技术 第3 章：同质缓冲层生长z 懿剑s i 薄膜的研究 第4 章：退火条件对n 掺杂z n o s i 薄膜的影响 第5 章：全文总结 1 5 第2 章i 1 0 岜f 潍没谱学研究办；上 第2 章正电子湮没谱学研究方法 2 1 正电子湮没谱学基础 1 9 3 0 年，英国物理学家d i r a c 为了解释_ ：日对论量，力学中的“负能凶难”，提 ：了电子具有反粒二子一正电子( p o s i t r o n ) i 。1 9 3 1 年，c d a n d e r s o n 和他的学 师密立根改进了威尔逊发明的云室，设计制造出一利- 莎式结构的、配有可使卡寺 厂偏转的强磁场的磁云室，拍摄了上f 张照片，从r r 发现柏些粒f 带自- 社位jj ： 电荷，f h 质量又远比质子质量小。1 9 3 2 年8 月，a n d e r s o n 终j i 得到了一张清晰 的照j t ，经过反复思考，认定这种粒予带单僦正电荷，其质量和e 一棚等，如蚓 2 1 所示。a n d e r s o n 的发现公布不久舌，英网物理学家p m s 布莱克特设计了f 1 动夏室，并以更多的e 事例证实了这项发现。 e + 的发现引起了人们极大的兴趣，很快查明c + 4 仪仃在j i ：宇宙射线中，l n j 儿 还可以在某些有放射性核参加的过程中找到它。彳i 久i l ：i ur 湮没( p o s j t r o n a n n i h i l a t i o n ) 也被证实。e + 的产：乍和湮没使人们对基本粒r 的认识发，l i 了霞人的 变化，人们重新考虑什么是基本粒子，原来这科，牲本粒一f 是粒子构成物质的域 基本的、永恒不变的“单元”的看法得到修正，罐本粒予之问可以相瓦转化、物质 的质量和能量之问也能转换。 刊 i 。j 二 图2 1 宁市线通过薄钌 板时所矗f 卜的行迹 呷 ，j 一。 ，一姥w ，毒嘲 第2 章止电子湮没谱学研究方法 2 1 1 正电子的性矮 匝电子和电子互为正反粒子，具有相等的静止质量m o = 9 1 l o 。1 媳，所带 电荷的数值相等，都为单位电荷e 8 1 0 。6 静电单位，但电荷性质相反，二者 具有相等的磁矩g e ( 2 m o c ) 。e + 在无e 的真空中是稳定粒子，寿命大于2 x 1 0 2 1 年。 然而旦e + 和e 相遇，在很短的时间内( 1 0 。8 s ) ，正负电子主要通过过程 ( e + + e + q ) 而消失。 e 十属于轻子族，轻子族是一组基本粒子，包括e ，矿，产以及六种相应的 中微子。轻子有两个特征：第一他们是费米予，遵守费米狄拉克统计；第二他 们不直接参与强相互作用。e 的轻子数为l ，e + 的轻子数为。l ，恰好和e 。考爨反。已 经证明e 十和e 参与万有引力，弱相互 乍用和电磁相互作用。e + 和e 一的许多性质是 一致的，两粒子的本质差异在于电荷的符号及附带的性质，如e 十的轨道和自旋 磁矩是平行的，而e 是反平行的。e 十和e 在一起并不遵守相斥原理，一般的 0 。表2 。l 剜出了正电子和瞧子的一些基本量 瑚l 。 表2 1 正电子和电子的基本量 j ：电子电子 静止质量 9 1 lx 1 0 + 2 8 99 1l x l 0 2 8g 盘旋 1 理l 怨 电荷 11 轻子数 1l 磁矩 1一l 2 。l 。2 正电子在物质中的动力学过程 由放射性核素衰变放出的正电子通常具有很高的动能( 通常在几百k e v 到 几m e v ) ，进入介质后，通过与电子、原子或离“予的非弹性碰撞损失能量，使其 1 7 第2 章正电子湮没港学礤究方法 动能降到热能水平，然后以热运动速度扩敝。大部分正电子湮没时都是充分热 化的，这一点已经在角关联实验得到证明o ，1 1 1 1 ，如图2 2 所示。正电子达到热 平衡以后，主要的动力学过程以声子散射为主，此时，正电子与声子的相互作 用为准弹性碰撞，正电子的熊量基本不会发生变化。 e s l r c e oo 烈o t r a p p i l l 譬 图2 2 正电子在材料中的一生 o o o 麓糕m o j 溉m o 2 1 2 1 正电子的热化 具有几吾l ( e v 的高麓正电子( 如：2 2 n a 放射源的正电子最大动麓为5 4 5 l ( e v ) ， 只需经过几个p s ( 1 p s = 1 0 。2 s ) 时间，能量就可以降到热能水平( k b t 量级，k b 是玻 耳兹曼常数，t 是绝对温度，在3 0 0 k 时，正电子的动能约为o 0 2 5 e v ) ，然后再 以热运动的速度扩散。证电子的动能损失主要发生在热化过程中，因此琵电子 在介质中的射程将主要由热化阶段决定。热化所需的时闯大致为几剁几十皮秒， 但总的热化时f 叫t t i l 。，m = 1 0 。1 2 1 0 刑s ，和e + 在物质中的寿命饥芝1 0 锄s 相比要短得多 f 12 1 。例如1 1 3 1 ，6 0 0 k 温度下l k e v 的正电子在金属a l 中达到热平衡需要3 p s ， 1 0 k 时，需要6 翰s 。 2 1 2 2 正电子的注入深度剖面 能量为e 的个e + 在样晶中的入射深度或者某种e + 源放射出来的e + 在样品 1 8 第2 鬻土e 电子淫没谱学磺究方法 外还可以处于若干个缺陷捕获态和束缚态，则一般表达式可以写成( 2 1 5 ) 式的形 式。在任一时刻t ，正电子处于自由态和各捕获态的概率为唧和胛f ，a 6 = 1 段和 驴l 锄分别是正电孑处于自由态和第i 个捕获态的湮没率，捕获率搿邓c 麓与缺 陷浓度成l f 眈，磊是正电子从捕获态变成自由态的逃逸率。初始条俘取彳乍 鲁一等一；刚) + ；荆 鲁。；誓墨( 争昙一军参强 净1 ，2 ，3 ( 2 1 5 ) 珂( o ) 一，押，( o ) = o ，解以上方程可以得到正电予湮没概率具有系列指数衰减成分， 分别具有一定的寿命值和相对强度。 各种捕获念的逃逸率通常很小，可忽略不计，这时各捕获态的正电子湮没 率可以简化成： 五；五十蕾， 磊+ ；= 丸 i = l ，2 ，3 ( 2 1 6 ) 从而得到正电予的潭没概率，进而对正电子的寿命实验得到的湮没能谱进行分 謇厅，得到各缺陷捕狭态的茏电子寿命和楣对强度，研究材料的缺陷猜况。 2 2 正电子湮没实验技术 正负电子对湮没而转化裁乍光子，根据发射光子数量的不同，主要有三种途 径：单光子湮没、双光子潭没和三光子湮没。由量子电动力学可知，双光子湮 没的概率比三光子湮没的概率大1 3 7 倍，比单光子湮没的概率大8 个数量级， 因此如果没有特殊说骧，本论文所讨论的工作都是关i ：竣光子湮没。 无论正电一f 从自由态、捕获态还是正电子素态淫没，在研究正电子湮没谱 时，主要有以下几种实验方法：( 1 ) 正电子湮没寿命谱测量；( 2 ) 多普勒展宽谱测 量；( 3 ) 正电子湮没辐射角关联测量；( 4 ) 慢正电子束流技术。 2 2 1 正电子湮没寿命谱测量、 正电子寿命能反映出湮没处的电子密度信息。当正电子被空位型缺陷捕获， 2 2 第2 肇正电子潍没谱学研究方法 图2 ，4 抉快符合正电予寿翕谱仪框豳 两片相同的样品之间，并置于两探头中间，探头由b a f 2 闪烁体或塑料闪烁体、 光电倍增管及分压线路组成。恒比定时甄别器有两种功能：既可以对所探测的丫 光子进行糍量选择，又可在探测到彳光子时产生定时信号，调节恒吃定时甄别器 的能窗，使两探头分别记录同一事件所发出的起始和终止信号( 即1 2 8 m e v 和 5 1 l k e v 的丫光子) 。时幅转换器将这两个信号之间的时问问隔转换为一个高度与之 成 f 比的脉冲信号输入多道分折器最后由计算规输出正电子寿命谱。最后通过 寿命谱分析程序来进行解谱分析，例如p o s i t r o n 蠡te x t e n d e d 程序、c o n h n 拟合程 序、m e l t 程序等等。 2 。2 。2 正电子湮没多普勒展宽谱测量 般来说，正电子在湮没时充分热化，其能量很小约为2 5 m e v ，而固体中的 电子能量往往有几个电子伏。根据正一负电子对湮没过程动量守恒可知，在y 射线 2 4 第2 章上e 电子潍没谱学研究方法 传播方向x 上的动量分量p x 使5 ll k e v 的湮没熊鬟发生能量漂移e ，我们称之为 多普勒谱能移，如图2 5 所示。根据能量守恒、动量守恒计算，得欧p x c 2 。热 化后正电子动量要比大多数电子动量小得多，因此湮没y 射线主要反映的是湮没 处电子的动量分布信息。 正电子既可以与圆体中的价电子湮没也可以和芯电子湮没。与芯电子相比， 价电子的动量要小得多，所以正电子与价电子湮没产生的能量展宽e 较小。缺 陷处的电子动量分布与完整晶格有所不同，在缺陷处参加湮没的价电子的份额 相对芯电子有所增加。因此如果把多普勒谱线都归一为眨积相同的曲线，富含 缺陷结构的物质的曲线要比不含缺陷的样品更窄更高。所以通过分析多普勒谱， 可以得到材料中电子动量的分布以及缺陷的信息。 只 z pl = m 。零七p 一2 图2 5 双y 溅没过程动爨守恒欠氅图 在实验中记录大量湮没光子的能量，单个光予的多普勒能移对整个的湮没 谱增宽有贡献，形成一个以5 l1 k e v 为中心的对称分布，分布形状由湮没光子的 动量分布所决定，这就是通常所说翳多普勒( d o p p l e 0 展宽能谱。d o p p l e r 增宽的 能量的数量级为k e v ，相对于5 ll k e v 还是较小的，故必须使用分辨率较高的高纯 锗探头( 在5 l l k e v 处分辨率f w h m 达1 0 1 5 k e v ) ，d o p p l e r 展宽实验装置如图2 6 所 示。 由予单一探头d o 鞠i e r 展宽装置中，湮没潜的本底较高，因而难以从谱线的 高能端提取内层电子状态的信息。如果采用双探头系统，毫探头用于记录y 光子 能谱，辅助探头用于提供符合信号，使两探头互为反平行以便探测到正负电子 对湮没后产生的能量约为5 ll l ( e v ，动量方向糖反的蘸个了光予。样品和放射源 置于两探头之闯，并采用符合技术对信号进行选择，使脉冲高度多道分析器 ( m c a ) 只记录那些为正负电子湮没事件产生的y 光子的信号，即当同一湮没事件 产生的掰个方向相反的丫光子分别被两个探头探测到并将信号同时送至符合电 2 5 第2 牵正龟子澄没潜学研究方法 路的信号。这样，可大幄度降低谱线的本底，使多普勒展宽谱的峰底比达到1 0 5 以上，如图2 7 所示，这样就可用于研究具有较高动辍的内层( 核心) 电子状态。 图2 。6 正邀子符合多磐勒疆竟谱役 实验上测得的多普勒展宽能谱，即实测谱i ( e ) 是本征谱w ( e ) 和仪器分辨函 数臌e ) 的卷积再与本底b 的叠加，也就是： 歹( e ) = 缈( 嚣) 8 冗( 嚣) + 君= | 驴( 嚣 ) 灾( 一e 艘+ 雪 ( 2 1 7 ) 而本征谱w ( e ) 实际上是动擞空间中电子的动量密度分布p ( p x ，p y ，p ：) 对d p y 和d 如 的二重积分： 2 6 锖1 喜i ：i b 。己矗晰沮：监出k 肃亡? 0 一 日 ? ； ( ff ff ( i ( ( ( 。 i 、l | 洲i 、 图2 1 1 新建慢止电子谱仪示意图和实照 慢j f 电子测量技术的基本原理是多普勒展宽测量。如图2 1 0 所示，具有连续 能量分布的快正电子进入固体，在固体内经非弹性碰撞很快( 儿个p s ) 损失能量 成为热化正电子，在随后的扩散过程中热化正电子有一定的儿率扩散到固体表 面。对于某些材料米说( 如烟熏m 9 0 、n i 、退火w 片等) i f 电子具有负的功函 数，扩散到这些材料表面的正电子会以比其动能大很多的能量从表丽发射出来， 成为慢正电子，将这些慢f 电子加速聚焦就得到了慢诈电。j t 束6 i 。 本实验室v 住1 9 8 8 年就建成了幽内第一一台磁聚焦的慢i i i h r 谱仪川，但经 过多年的运行，产卜了。些亟需改进的问题，例如束流计数率较低、电学插件 叮能存在的漂移对测量数据的干扰等。因此，为了满足测量要求，更充分的利 用慢【f 电子谱仪，我们对原来的慢束装置进行改造，建立了新的慢f 电子谱仪， 如图2 1 1 所示，新的慢j f 电子系统包括一下几个部分：慢正f b 子产生部分、聚 焦传输部分、真窄部分以及样晶测量和数据获取部分。 f 1 前国际e 慢i i i 电子束中的快l 卜电子( 能量为m e v 量级) l i 要有两个途径： ( 1 ) b + 衰变的e + 源，向c + 源又分为基j 二同位素源和反心堆两种方 i ；( 2 ) 利 j 产生正 瓜嘲圆 x 第2 章止电子湮没谱学研究方法 ：!：0：j ：， j l r a ye n e r g y 【k e v 】 图2 8s 参数和w 参数的定义 原子的缺失造成核心电子的密度降低，价电子密度相对增加，湮没能谱将变窄， s 参数相对j 二无缺陷材料而增大，同时参数减小，一般来说两个参数的变化 趋势是相反的。 所以，利j js 和形参数可以得到开空问缺陷和内部电场许多有用的信息， f 目是s 参数和参数的绝对大小是没有确切物理意义的，因为他们的大小是根 据所选的正电子的能窗所决定的，只是它们的相对变化能够反应出正负电了湮没 的信息，一般选择巾心区域使s 参数在0 5 左右，而侧翼区的选择应尽量避丌价 电子的影响使参数在0 2 左右。一旦选定了中心区域和侧翼区，线性参数就 完全取决于电子动量分布，是材料的特征参数。缺陷的存在将引起线性参数大小 的明显变化，对于高能正电子在材料体内的湮没，s 和参数可以写成： s = 7 7 。，s 。+ ( 1 7 7 。，) 咒 ( 2 2 0 ) = 7 7 。，彬，+ ( 1 7 7 。，) ( 2 2 1 ) 其巾下标b 、d 分别表示材料的体态和缺陷态。i 卜电子捕获百分数，7 町以山下式 给出： 第2 章止电子湮没谱学研究方法 誓= _ 生l ( 2 2 2 ) b 七k d 其中如和翰分另4 是正电子在材料中的体湮没率和缺陷捕获率。 s 和参数对缺陷的浓度和种类都很敏感，为了获得缺陷浓度，必须要首先 假定缺陷的种类，也就是与缺陷相关的曲、觋。定义一个新的参数欠： 肚岛= 删 炎的变化仪与材料中的缺陷有关，露不依赖于缺陷的浓度。然瓶( 2 。2 3 ) 并不是对 火进行数值计算，对于只有一种缺陷类型的s = 双聊图，r 是经过( & 、) 和 ( & 、) 的区线的斜率。我们将理论的曲线与实验得到的结果相比较，就可 以得到湮没处的结构和化学信息。 2 2 3 正电子湮没辐射角关联测量 正电子。电子对湮没过程符合动量守恒，它们的动量在垂直传播方向上的动 量分量几使两个y 湮没光子产生个很小的偏离角0 ，如图2 5 所示。o 角与材料中 电子动量分南有关。淫没辐射角关联技术就是通过测量不同e 角上的潭没事件来 反映固体中电子的动量分布。因此，湮没辐射角关联技术也是种测量材料内 部的电子动量分稚的实验技术。 湮没辐射角关联技术装置比较复杂，具有分辨率高，计数率低等特点，图2 9 是典型的焦关联测量系统示意图。 2 d d e l e e t o fa f r a y 2 d d e t e c l o ra f r a y 图2 。9 正电子溧没辐射角关联测鼙系统示意图 2 9 第2 牵正电子瀵没谱学馁究方法 负电子对中的e 十，主要方法称为l i n a c ( 匿线加速器产生正负电子对方式) 。而 慢正电子束流又可分为连续束和脉冲束。虽然反应堆和加速器可以得到高强度 的束流，并且脉冲束可以避免连续束中正电子的产生和湮没缺少关联时间信号 的缺陷从而进行正电二f 寿命谱的测量，但是考虑到设备和经济的可行性，本实 验室建造的是幽放射性同位素产生正电子的连续束系统。 2 2 4 1 正电子源和慢化体 表2 2 列出了些常用的难电子源及其基本性质，从半衰期和证电子产生分 支比等角度综合考虑，最常用的是2 2 n a 源，其半衰期是2 6 年，e 十分支比为9 0 ， 产生的正电子能量是连续的，且最大能量值等于5 4 5 k e v 。 表2 2 塍常用正电子放射源及其基本性质 放射源 p + 分支比 最大能量( m e v ) 半衰期产生机制 2 2 n a8 90 5 4 52 。6y 2 4 鹾g ( d ，砖 5 8 c oo 1 5o 4 7 47 1d 5 8 n m p ) 6 4 c uo 1 90 6 5 3 1 2 6d 6 3 c u ( n ，丫) 6 8 g eo 8 61 。8 92 7 5d 6 唿n ( 程，2 砖 4 4 k0 9 5l 。4 7 4 7 3y 4 5 s c ( p ，2 n ) 2 6 a lo 8 51 1 78 1 0 5 v 1 l co 9 9o 9 62 0 3m 1 1 b ( p ，n ) 8 r b0 。2 7l 。0 5 4 。6 魏 7 9 转程，2 n ) 1 5 01 o o1 7 41 2 3s 1 4 n ( p ，丫) 获得慢诿电子的关键是选择合适麓幔化体，以达到较高熬慢化效率。正电 子在慢化体内经过热化、散射、逃逸等过程，慢化效率s 与材料的密度队j f 电 子的最大能量易甜、正电子在材料中的扩散系数d + 、有效寿命和表面逃逸率 只。有关，半经验公式为： s ：訾厢 ( 2 2 4 ) - m a x 由于正电子在所有固体中的寿命差别不大( l o o 一2 0 0 p s ) ，因此慢化体一般采用 3 2 第2 章j 电子潭没谱学研究办法 密度较大的晶体材料，并且需要经过高温退火处理消除缺陷，减少难电子在材 料中的捕获湮没，材料表面也要仔细清洁干净并置于高真空环境中以提高表面 逃逸率。一般慢化体材料的选择要把握几个原则：( 1 ) 对难电子的逸出功函数为 负值，并且负功丞数的绝对值越大越好；( 2 ) 正电子在慢化体材料中扩散长度尽 量大，使正电子有较大的概率扩散到表面；( 3 ) 扩散到表面的订i 电子有较大的再 发射概率；( 4 ) 材料原子序数大，密度大，对正电子有较强的阻止能力；( 5 ) 材料 表面和内部的缺陷少，对正电子的捕获能力小；( s ) 慢化体需要有合适的几何结 构。表2 3 列出了常用的一些慢化体材料及其基本性质。总的来浼，至今为止钨 慢化体仍然是效率较高、制作方便、廉价易得的慢化体材料，因此迄今为止许 多实验室仍然采用钨作为慢束装嚣中的慢化体。 袭2 3 一些常用的慢化体材料及其基本性质 慢化体负功函数( e v )慢化效率材料形态使用状况 醚g l 23 l 莎5 多晶粉末第一种有皴缎纯体 c u ( 1 1 1 ) o 61 1 0 。 攀晶u h v 慢化体 bo 11 1 0 。3多晶 1 f ：u h v 慢化体 w ( 1 l o ) 33 l o 。3 单晶 w22 1 矿多晶运火最有效的菲u 秘v 慢化体 n e 9 7 1 0 3 5 k 吲态n e最有效的慢化体 此外，慢化体的几何放置对慢化效率的影响也非常重要。图2 1 2 是五种主 要的慢化体几何放置方式。第种诣c o 源使用的背散射式，是j f 电子从慢化体 的同一侧入射和出射，慢化效率较高，但由于放射源处在难电了的文射路径上， 故挡住了一部分慢j f 电子；第二种2 2 n a 源使用的透射式，效率高，但要求慢化 体较薄，而且慢化体薄膜的缺陷会影响_ l 卜电了的再发射；第王种。2 2 n a 源使用的 百叶窗式，效率高，制作容易，已得到普遍应用；第四种惰性气体固体式慢化 体，效率高，但是薅牲气体冷凝在源上，必须要处于几k 的低温，制作豳难： 第五种是源与慢化体体化，例如6 4 c u 既是源又是慢化体，这就要求源材料必 须可以制成薄膜。 3 3 第2 章正电子澎没谱学疆究方法 隰化体薄范l 爨比体龋栏馒化髂 曝薹暖薹 ( d ) ( c i ：蚤) 图2 1 2 无种t 要的慢化体放置方式 慢 e + 抽 联 秘魄在锱l l l 孛 2 2 4 2 慢正电子的加速和传输 系统中采用静电加速管对慢化后的正电子在传输途中进行加速和聚焦。前 端加高压，靶端处予地电位，这样不仅有利于减少柬褒大小，还可以方便麴对 其进行其他环境的测量( 如低温等) ，而且加速电场方向与磁场轴线平行，防止 束流运动的偏移和正电子的丢失。 聚焦后的慢1 f 电子进入l 冬输管道，传输管道中的均匀磁场由通电螺线管线 过程中偏离轴向，造成束聪偏移。在磁场中j f 电子酶旋转半径为： 犬：坠 ( 2 2 5 ) 叫： 因为旋转半径决定着束斑的大小，从( 2 2 碡) 可以看蠢我们可以透过加强磁场来减 小柬斑。从放射源放出的部分没有慢化的快正电子和1 2 7 m e v 的y 光子可以通 过5 个内孔径为1 5 m m 的障板阻止，而慢正电子在漂移过程中受到地磁场影响 丽产生的漂移可以通过马鞍形线圈产生的磁场进行矫最。 3 4 蕊崎象缝挑聪憷牛象魏职 呻一一一一一 第2 章正电子湮没谱学研究方法 2 2 4 3 慢正电子谱仪的数据采集和处理 慢正电子在磁场中加速和传输到达靶室，最终与样品中的电子发生湮没， 放出5 1 l k e v 的y 光予被高纯锗探测器接收，得到正负电子对的多普勒展宽。我 们采溺被广泛使用的线性参数来分桥数据，不同能量的正电子与样赫中不同深 度处的电子发生湮没，这些线性参数的变化能够有效的给出材料中的缺陷信息。 测得的湮没谱通过扣除本底，拟合寻峰来计算s 参数和w 参数。本底函数 可以表示成： e 一等卜矿( 杀) 1 + 6 亿2 6 ， 其中b i 表示第i 道的本底，h 为能谱峰前后本底之差，i o 是峰位，d 足湮没峰高 斯拟合的方差，b 是高能端的本底。上式相当于阶跃函数与高斯函数的卷积，考 虑了系统分辨的影响，不会产生突变点。实际计算时也可以用比较简单的形式： 其中n n 为第懿道的讨4 数，瀚为总道数。这种方法巧妙的避开了拟合峰位和方差， 使计算更简单、合理。 眠 墨= 日 + 6 ( 2 2 7 ) m 系统中的数据采集和处理使用己曲v l e w 7 。0 来编程和实现。测量和控制过程 如图2 1 3 所示。系统测量得到的正电子的有效计数率约为1 0 0 c p s ，能量分辨为 0 0 0 3 ，本底计数率约为2 c p s ，快正电子基本上全部被挡掉，慢l f 电子注入能量 可以在一3 0 l ( e v 范圈内变化。 由于实验材料具体特征往往具有复杂性，我们很难得到扩散方程的解枥解， 所以般都是采用数值解法来拟合处理实验结果。蹦前国际上通常用来的分析 s e 曲线的拟合程序是v e p f i f 秘懿。在拟合之前把样晶按深度方向分成许多小的 区间。，每个区闻的s 参数、j f 电子扩散长度、样品密度以及内部电场强度等参 量都可以看成是一致的，通过设置各个间隔的边晃条件，针对每一个小区间求 解扩散方程，得到正电子在每一个区间的分布函数，经过反复迭代而获得收敛 的结采。v 琶p f i t ( 2 1 版) 晕主要有五种拟合模型可供选用：( 1 ) m o d e l 箨：给高 每一个区间的s 参数、有效扩散长度l 沁内部电场强度e 等拟食结果；2 ) m o d e l 3 5 篇3 章同履缓冲层生& z n 例s i 薄膜的研究 3 1 引言 第3 章同质缓冲层生长z n o s i 薄膜的研究 巍接带隙的宽禁带半导体材料z n 0 ，以其撬越的光电性麓及其低廉的徐格， 基示了它在光逸领域，将替代或部分替代g a n 材料的可裁性。研究z n 0 麴真正鋈 的在于开发z n o 基产黼，实现产业化发展，为人类社会提供价值。 半导体照明又称为固态照明，是一种基于半导体发光二二擞管新型光源的固 态照明。发光二极管函i g 遗g 曼瓣诹i 魏gd i o ，英文篱称嚣渤是辩新翟冷光源。 发光二极管具有结构简单、体积小、重量轻、耗能小、响应速度快、抗震性能 好、使用方便等优点，在光电系统中的应用极为普遍。在同样照度下，l e d 灯的 电能消耗和寿命比囱炽灯帮目光灯都有嚼显的优势。半导体照赁被誉为人类照 臻历史继爱迪生发明电灯之后的又一次革命。z 本身就是一种很有潜力的发光 材料，尽管目前z n o 基l e d 等器件已研制成功【i j 9 ，1 2 0 1 ，但发光强度，发光效率等 参数，还有待进步的提高。其原阑在了：z n o 薄膜的结品质最小赢，存在较多的 晶蘩缺陷等，使褥本底载流子浓度过大，敖射中心增多，迁移率下降。要解决 这些问题，关键在于提高z n o 薄膜的结晶质量，减少品格缺陷。 根据衬底和外延层材料的关系，外延生长可分为同质外延和异质外延。简 肇圭逢说，如果树底穰外延层属于媾静材耩则称为隧覆终延：反之，则器罐徽异 质羚延。z n o 薄膜的外延生长，仍是当今z n 0 研究领域的热点。同质外延z n o 薄 膜，即z n o 衬底l ：制备z n o 薄膜，由于晶格的匹配，所以外延出的z n 0 薄膜一般 具有较离的晶体质量l j 烈，1 2 2 j 。但z n o 体单晶的价格槌当昂贵，不剥于产业化的发 震。异覆外延，如在篮宝石、硅材料等衬底上外延生长巍0 薄膜，戒本泷较便宜， 冈而异质外延z n o 薄膜成了当今发展的主要方向1 1 2 3 l 矧。表3 1 列出了目前外延生 长z n 0 簿膜常用的j l 底以及它们之间的晶格失配1 1 6 l 。 s i 材料是一种非常成熟静半导体耪糕，与其他树底裰毙，价格具有绝对鲶优 势。磷时，s i 衬底上制备z n o 薄膜，还便予光电器件的大规模集成。目前，单晶 z n 0 薄膜己在a 1 2 0 3 及s c a l m 9 0 等衬底上成功制备1 1 2 孓1 2 引，f 融在s i 衬底上还未实 现。其原因是由于z 穗o 与s i 衬底之闻存在很大的酷格失配翻热膨胀系数的差异， 3 7 篱3 章同矮缓狰篡生长z n 联s i 薄黢豹研究 袭3 1z n o 异磺外延生长常用衬底及其对z n o 的晶格失配 t h e r m a l 一e x p a n s i o n l 最筑i e eo e f 嚣e i e 墩 p a f a m e t 。r s l a 蛙i c e 疆”1 ) c 叫s t a id ( a ) m i s m a t c h ( 1 0 m a t e f i a l s t r u c 重u i e c ( 舢哟( 1 0 前) z n o h e x a g o n 蠢 3 + 2 5 22 。9 5 2 1 34 7 5 g a n h e x a g o n a l 3 。1 8 91 85 1 7 5 + l s 5霉+ 5 s a l n h e x a g o n a l 3 1 1 24 55 3 4 9 8 04 2 瑾a 1 2 0 3h e x 移魏曩 4 7 5 71 8 ，4 a f t e r3 0 。7 3 2 9 s 3 ；n - p l a n e 糯t 藤。稚 8 。l 6 h ，s i c h e x a g o n a l 3 0 8 03 54 2 1 5 。1 1 74 6 8 s lc u b i e5 毒3 蚤| 幸0 。3 。5 9 s c a i m 9 0 4h e x a g o n a l 3 2 4 6o 0 9 2 5 1 9 5 g a a sc u b i e5 ，6 5 24 2 。46 。o 使外延过程中j 肛生很多的缺陷，因而一般s i 衬底上得到的z n o 薄膜为多晶或非晶 1 1 3 0 ，】。正因为如此，研究s i 莲。卜z n o 薄膜的异质外延，成了一项艰匿而又伟大 韵工终。许多研究表瑟裁嗣缓冲层生长技术可以缓獬s i 衬底与z n 0 薄膜之闻的晶 格失配，减少缺陷，提高晶体结晶质量。基于以上所述，本章着重就弓l 入z n o 同 质缓冲层对改良z n o s i 薄膜的性能做一些分析。 3 2 实验 现阶段，利用过渡层生长技术，是提篱s i 衬底上爨质外延z 聪o 薄膜质量的 3 8 襄萎鬻峪霪薹嵯盈张薹) ( 冀羹| 耄i 鋈霪鬓蓁囊 鬈篓；鬟囊羹签犁