（光学工程专业论文）溅射法在si片上研制zno薄膜及其光电器件.pdf

中英文摘要 溅射法在si 片上研制z n 0 薄膜及其光电器件 专业：光学工程 硕士生：朱慧群 指导教师：王钢教授 摘要 氧化锌是继g a n 后的一种自激活i i 一族直接型宽禁带( 3 3 7 e v ) 半导体， 激子结合能高达6 0 m e v ( g a n ：2 1 m e v ) ，产生受激发射的波长比g a n 的更短， 是蓝、紫外和白光器件的理想材料，z n o 生长温度低，安全环保，来源丰富，价 格便宜，具有优异的光电、压电、电声和气敏等性能以及高化学与力学稳定性， 且可与硅平面工艺相容，易于光电集成，因此在短波光探测器、发光二极管、激 光器、太阳电池和液晶显示器等光电子、半导体照明、通信、汽车、环保、能源、 医检、光谱学、军事等领域将有重要应用，成为当今研究热点。 本论文应用磁控溅射技术，采用s i 衬底表面处理法、磷扩散法、氧缺位法 等方法，在单晶s i 片上制备出高质量( 0 0 2 ) 晶面取向的n 型、p 型氧化锌薄膜， 溅射a l 欧姆接触电极，研制出z n o 基异质结、同质结光电器件，并研究其相关 机理和光电特性。 1 、在s i 片上制备出高质量n 型氧化锌薄膜 实验发现，衬底温度、溅射功率及气体比例显著影响薄膜的晶体结构、表面 形貌和光学性质。本论文采用溅射功率为1 0 0 w ，加：0 2 ：n 2 = 5 ：4 ：l 时，制备的z n o 薄膜呈六角纤锌矿结构、高( 0 0 2 ) 面取向生长，x 射线衍射( m ) 峰在3 4 2 4 0 ， 半高宽为o 1 9 0 ，晶格较完善，晶粒较均匀，3 7 5 m 附近的吸收边较陡峭，该处 对应的带隙光致发光( p l ) 峰较强。 研究发现，对s i 衬底实施离子束表面氮化处理，可有效减少z n o 与s i 之间 的界面缺陷。在离子束氮化过的s i 片上生长的z n o 薄膜的( 0 0 2 ) 面衍射峰半高宽 中英文摘要 减小。此外，合适的同质缓冲层也能有效减少z 1 1 0 与s i 之间的晶格失配和热膨 胀系数不同引起的晶格畸变。我们在s i 上2 0 0 溅射适当厚度的z n o 同质缓冲 层，再以4 5 0 溅射z n o 主层，发现主层z n o 的晶体结构和表面形貌均有较明 显的改善。 2 、采用磷扩散法在s i 片上研制p 型氧化锌薄膜 由于z n o 有高度自补偿作用，p 型掺杂使马德隆能升高而p 型杂质固容度降 低，z n o 从本征n 型向p 型转变的难度很大。 本论文在高掺磷n 型s i ( 0 0 1 ) 衬底上4 5 0 溅射沉积z i l o 薄膜，在沉积和后 退火过程中，磷向z n o 薄膜扩散并被激活，使z n o 薄膜由n 型转化为p 型。所 得薄膜高( 0 0 2 ) 面取向，x r d 半高宽为0 4 8 0 ，霍耳测试其空穴浓度为 1 7 8 1 0 1 8 c m 3 量级，x 射线光电子能谱( x p s ) 测试薄膜组分表明，磷的含量达 o 4 8 ，可估算原子密度达1 0 1 8 c m ? 量级，n + s i 与p z n o 构成的异质结的i v 整 流特性显著，正向丌启电压约为l v ，这些均显示磷已成功掺进薄膜中，制备的 p z n o 薄膜晶体质量优良而且达到p - n 结器件的要求。实验还发现，衬底温度、 s i 掺磷浓度、后退火工艺均极大地影响z n o 的p 型转变、微结构和内部磷杂质 分凝。 3 、研制z n o 薄膜光电器件 在上述所得的p z n o 薄膜上沉积n z n o 薄膜，再在s i 背面和p 、n 区溅射 a l 欧姆接触电极，研制出a l n z n o p z n o n + 一s i a l 多层结构的z n o 基同质和异 质p n 结，研究溅射工艺和后退火工艺对z n o 层中的载流子浓度、迁移率和薄 膜质量的影响，研究各层厚度、化学组分及其分布、微观结构与p n 结光电特性 之间的有机联系。 为增强紫外和紫蓝波段的光响应，本论文采用氧缺位法，在p 型s i 上沉积 具有氧缺位v 0 的n z n o 薄膜，形成n _ z n o 恤s i 异质结，再设计掩模并溅射a l 梳状欧姆接触电极，利用z n o 带隙、氧缺位能级、s i 带隙等多种机制，研制出 n - z n o p s i 增强型广谱光探测器，结构简单实用，探测器在5 v 反向偏压下( 3 1 0 8 0 0 n m l 的光响应度高达o 7 5 1 3 8 w 。 关键词：溅射法；磷扩散法；z n o 薄膜：z n o 异质结；z n o 同质结 中英文摘要 f a b r i c a t i o no fz n ot h i nf i l m sa n dp h o t o e l e c t r i c d e v i c e so ns is u b s t r a t e sb ys p u t t e r i n g m a j o r ：o p t i c se n g i l l e e m g n a m e ：z h uh u i q u n s u p e i s o r ：p r 0 危s s o rw | a n gg a n g a bs t r a c t z i l l co x i d e ( z n 0 ) i sas e l e x c i t a t i o ni i - s e m i c o n d u c t o ra r e rg a nw i t hd n c t w i d eb a n dg a p ( 3 3 7 e v ) a n dl a 唱ee x c i t o nb 砌i i l ge n e 昭yo f6 0 i n e v ( g a n ：21m e v ) z n os t i m u l a t e de i n i s s i o ni se a s i e ra n de m i s s i v ew a v e l e n 舀hi ss h o i r t e rt h a i lg a na sa p r o i i l i s i i l gm a t e r i a l s 旬rb h l ea n du n r a v i o l e ta n dw h i t el i g h te n l i t t i n gd e v i c e s i ti s g r o 、张u n d e rl o w e rt e i i l l ) e r a t u r e ，鼢亿re n v 的m n e n t ，r i c h e rs o u r c ea n dc h e 印e rp r i c e v 打i o u sm e t h o d sh a v e b e e nu s e dt od e p o s i tz n of i l m ss u c ha si n o l e c u l a rb e a me p i t a x y ， s p u t t e r i n g ，c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，p u s h e di a s e rd e p o s i t i o i l ，s p r a yp y r o l y s i s ， s o l g e le t c z n on a n o s t r u n u r so fm n o d o t s ，n a n o w i r e s ，n a n o t u b s ，n a n o b e h s ，m n o r i n g s e t c h a v ep r o n l i s i n gp o t e m i a l s 硒r 蠡b r i c a t i r 培n a n 0 一o p t o e k c t r o i l i c sd e v i c e ss u c ha s f i e l d e m i t t e r s ，b i o l o g i c a l s e n s o r se t c z n oh a sr e m a r k a b i e o p t i c a l ， e l e c t r i c a l ， a c o u s t i c e l e c t r i ca n dg a ss e l l s i t i v e c h a r a c t e r i s t i c s ，h i g hc h e i i l i s t r ya l l dm e c h a n i c s s t a b i l i t ya n di sc o m p a t i b l ew i t hs i l i c o np l a n et e c h n i q u ea n de a s 衙t op h o t o e l e c t r i c n e g r a t i o n z n oh a 、，eb e e ni i l t e n s i v e l ys t u d i e da si t si i l l p o n 觚tp o t e n t i a lu s e d 旬r s h o i r tw a v e l e n 舒hp h o t o d e t e c t o l i g h t e m i t t i n gd i o d e s ，l a s e r s ，s u ne n e 唱yc e l l ，l i q u i d c r ) r s t a id i s p l a ye t c i i ld o i l l a i l l so fp h o t o e l e c t r i c i t y ， s e m i c o n d u c t o ri l l u m i n a t i o l l ， c o m m u i l i c a t i o i l ，m o t o r c a r ，e n e r g y ，m e d i c a lm e a s 嘶n g ，s p e c t r o s c o p 弘1 1 1 i l i t a r ) ，a 矗a i r s i nt h i st h e s i s ，m a g n e t 】o ns p u t t e r i n gt e c l l i l i q u ea n ds u b s t f a t es _ u r f 配en i t r a t i o n t r e a t i i 培b yi o nb e 锄，p h o s p h o m sd i f m s i o n ，o x y g e nv a c a n c i e se t c n l e t h o d sw e r eu s e ( 1 t og r o wh i 曲q u a l i t yn t y p ez n o ( n z n o ) a n dp 咖ez n o ( p - z n o ) t h i l lf i l m sg r o 、7 l j - i la i l i 中英文摘要 h i g h ( 0 0 2 ) o r i e n t a t i o no ns is u b s t r a t e s t h e np u r ea l u m i n u m ( a 1 ) o h n l i cc o m a c t e l e c t r o d e sw e r ep r e p a r e db ys p u t t e r i n g z n oh e t e r o j u n c t i o na n dz n oh o m o j u n c t i o n p h o t o e l e c t r i cd e v i c e sw e r ef a b r i c a t e do ns is u b s t r a t e sb ys p u t t e r i n g t h er e l a t e d m e c h a n i s ma n dp h o t o e l e c t r i cc h a r a c t “s t i cw e r es t u d i e d 1 h i g hq u a l i 锣n - z n ot h i n1 f i l m sg r o w n o ns is u b s t r a t e s e x p e r i m e m a lr e s u h sr e v e a l e dt h a ts u b s t r a t et e m p e r a t u r e ，t h ec o m p o s i t i o no f s p u t t e r i n gg a sa n dp o w e rw e r ei m p o r t a n tf a c t o r st oc d ，s t a ls t l l l c t u r e ， s u r 蠡c e m o 础o l o g ya n do p t o e l e c t d cp r o p e n i e s i nt h i st h e s i s ，z n of i l m sw e r ep r e p a r e d b y s p u t t e r i n gu n d e rp o w e ro f10 0 w ；t h em a s s f l o w i n g r a t er a t i 0o fa - 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l a c k i i l gm e t h o da i l do x y g e nv a c a n c i e s v o 、v a sn r o d u c e dt 0t 1 1 en - z n of i l m s硫e i l t i o m l l y v oc o u l de n l l a n c et h e r e s p o n s i v i t yo fo u rp h o t o d e t e c t o ri i l3 8 8 4 3 0 m i lw r ed e s 远n e dt h em a s kp l a t e n l e p e c t i n a t ea l u m i n u me l e c t f o d ep a n e m sw e r ep r 印a r e do nz n ob yn l a g n e t r o n s p u n 嘶n g u n r a v i o l e t v i s i b l e - e i l l l a n c e d n z n 0 p s ip h o t o d e t e c t o rw i n lh 适h r e s p o i l s i v i t yw e r es u c c e s s 如l l yf a b r i c a t e dw 讹z n ob a n dg 印，v o 柚ds ib a n dg a p m e c l l a n i s m s t h es p e c t r a lf e s p o i l s i v i t y ( 3lo 8 0 0 l l l 】心u n d e rt h er e v e r s eb i a so f5 v a r t i v e da to 7 5 1 3 8 a 脚： k e yw o r d s ：s p u t t e 血g ；p h o s p h o m u sd m s i o n ；z n ot h 访f i l ：m ；z n o h e t e r o j u n c t i o n ；z n oh o l n o j u n c t i o n v 中山大学硕士学位论文 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：肄勘耷 日期：2 0 0 8 年5 月3 日 中山大学硕十学位论文 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用予非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：糁专 日期：2 0 0 8 年5 月3 日 导师签名： 日期：2 0 0 8 年6 月】日 中山大学硕士学位论文 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果， 该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期 间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人， 未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者虢糁专 日期：2 0 0 8 年5 月2 8日 引言 引言 宽禁带半导体材料因禁带宽度大、介电常数小、导热性能好、载流子漂移饱 和速度高，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高集成度的电子器件、发光 器件和光探测器件。在照明、彩色显示，激光印刷，高密度信息存储，海底通讯 等领域乃至众多军事系统与装备方面具有重要的作用和应用前景。目前，利用宽 禁带这一特点制备的g a n 蓝、绿色发光管，紫光激光器，紫外c c d 等己商品化， 但g a n 器件大都在蓝宝石或s i c 衬底上制造，专利被日美垄断，价格贵，而且有 源层缺陷密度高、阈值电流密度大、p 型掺杂难、解理难、刻蚀难等，制约着g a n 基半导体激光器的发展。 与g a n 材料相比，z n o 薄膜的紫外发光等是刚开始的新兴课题。z n o 是一种 具有六方结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为3 3 7 e v ，与g a n 的3 4 e v 相近，特别是它的激子结合能高达6 0 m e v ，比g a n 的2 1 n l e v 高得多，这 一特性使它具备了室温下短波长发光的有利条件，在3 叫c m 2 下激子增益为 3 0 0 c m ，高于同条件下g a n 的约1 0 0 c m - 1 【l 】，其受激发射的阈值比g a n 的低、激发 温度可比g a n 的高【2 l ，因此，室温和高温下的发光条件比g a n 的更加优越，而且 它产生的受激发射的波长比g a n 的发射波长更短，对提高光信息的纪录密度和存 取速度更加有利，在目前常用的半导体材料中首屈一指。z n o 薄膜具有很高的化 学稳定性和耐高温性质，生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散， 提高薄膜质量，而且也易于实施掺杂。z n o 价格便宜，来源丰富，原料安全环保 无毒，它的许多制备工艺与硅微电子集成工艺相容，较易在这种工艺基础上实现 光电集成，而目前g a n 在这方面还存在着相当大的困难。及l o 具有很高的导电性， 且透过率高达9 0 ，可取代i t o 等氧化物透明导电膜，在平面显示、太阳能电池 等光电器件许多领域有广泛的应用前景。z n o 还有光生伏特效应，显示出用它制 备太阳能电池和紫外探测器的应用潜力。总之，z n o 在光探测器、太阳能电池、 液晶显示器、发光二极管和激光器、半导体白光照明等光电子信息领域可望有重 要的应用，有望成为光电性能、总体经济和社会效益均可以与g a n 相比拟的新型 宽禁带化合物半导体材料。因此，对z n o 的光电子信息功能的研究和开发是目前 国内外热门前沿课题之一。 引言 目前z n o 材料的主要研究内容是z n o 薄膜和z n o 纳米管、纳米线、纳米颗 粒等低维材料的工艺、微观结构及其光电性质；器件的主要研究对象是紫外激光 器、发光二极管( l e d s ) 、透明薄膜晶体管、紫外探测器、光波导、光电器件的 透明电极及缓冲层等。z n op - n 结器件可分为异质结和同质结两类。异质结由于 结构的原因，对两种异质材料的晶格匹配要求比较高，而晶格可与z n o 较严格 匹配的合适材料是比较有限的。相比之下，z n o 同质结的研究更有普遍意义，而 高质量p 型z n o 薄膜的制备则是其中的关键问题。 由于z n o 薄膜中大量的本征施主缺陷对受主产生高度自补偿作用以及p 型 掺杂使马德隆能升高而使p 型杂质固容度大大降低的缘故，故z n o 薄膜从本征n 型向p 型转变的难度很大，目前这个问题还未获得真正意义上的解决，p 型z n o 基结型光电器件的研究仍处于初级阶段。如何克服自补偿效应，实现z n o 薄膜 的p 型转变，如何降低薄膜的缺陷密度、提高薄膜的质量和稳定性等问题，成为 目前制约z n o 材料在光电子领域发展的瓶颈，引起了国内外学者的高度重视。 迄今为止，已有多种z n o 薄膜的p 型掺杂理论和基于z n o 薄膜的全新光电器件 被相继提出并取得重大突破。y r r y u 等人1 3 】利用p l d 法在g a a s 衬底上( 衬底 温度4 0 0 5 0 0 ) 掺a s 制得p z i l o ，受主浓度1 0 1 7 1 0 2 1 c i n - 3 ，紧束缚激子带 边发射峰分别位于3 3 6 e v 和3 3 2 e v 。m j o s e p h 等人【4 】利用p l d 技术在4 0 0 进 行g a 、n 共掺杂也实现p 型转变，p z n o 室温下电阻率为o 5 q c m ，受主浓度可 达到4 1 0 1 9 c n l - 3 。t a o “5 悃激光注入技术掺磷亦得到p z n o 。我国在z n o 薄膜 方面的工作处于国际先进水平，国家相当重视和支持z n o 材料的研究。这些研 究的成功必将为开发有知识产权的蓝光紫外发光器件奠定实验和理论基础，极 大地推动特别如短波光电器件、白光照明等光电子学和光电子产业的发展，成为 未来世界经济发展的一个新亮点。 2 第l 章z n o 综述 第1 章z n 0 综述 1 1z n o 的结构特性 z n o 是一种新型的1 i 一族直接带隙宽禁带半导体材料。z n o 晶体有三种结 构：六方纤锌矿、立方闪锌矿、立方岩盐矿结构。一般情况下，z n o 晶体的热力 学稳定相为六方纤锌矿结构，因此，通常制备所得的z n o 晶体都是六方纤锌矿 结构，这种晶体属于六角晶系，空间群为p 6 3 m c ，化学键型处于离子键与共价键 之间。晶格常数a - o 3 2 5 2 m ，c = 0 5 2 1 3 啪，其晶胞由互相贯穿的六角紧堆积晶 格构成，c 轴方向相距o 3 8 2 5 n m ，其原子位置为z n ：( o00 ) ，( 1 32 3l 2 ) ；o ： ( o0z ) ，( 1 32 31 2 + z ) ，其中z = o 3 8a 。晶体结构如图l l 所示。从( 0 0 0 1 ) 方向 看，z 轴是由z n 面和0 面密堆积组成的，z n 2 + 和0 2 一离子沿着六方晶体的c 轴 方向为a b a b a 式交替排列，每个z n 2 + 离子周围围绕着四个0 2 + 离子，构成z n o 四面体结构，反之亦然。这种排列特点决定了z n 0 晶体中z n 2 + ( 0 0 0 1 ) 和0 ( 0 0 01 ) 极性面的存在。这种极性分布使得z n 面和0 面具有不同的物理和化 学性质，存在的极性影响着薄膜的光电性质、热稳定性和杂质的掺入。 + l 删u 1 图1 一lz n o 的晶体结构图 n a b a 喵?o一嚣。势 第l 章z n o 综述 z n o 无毒、无味、无砂性，是两性氧化物，既溶于酸也溶于碱，不溶于水、 醇和苯等有机溶剂。表l l 列出了z n o 基本物理性能参数。 表l 一1z n o 基本物理性能参数 物理参数符号 数值 常温一卜的晶体结构六方纤锌矿 伽o 3 2 4 7 5 o 3 2 5 0 1 口以o = 1 5 9 3 0 1 6 0 3 5 室温常压下的晶格常数( n m ) c 0o 5 2 0 4 2 o 5 2 0 7 5( 理想的六方结构为1 6 3 3 ) 分子量m8 1 3 8 密度( 眺m 3 ) p5 6 0 7 熔点( ) 1 9 7 5 热容 ( j g k ) c v 0 4 9 4 热导率( w c i l l i ( ) o 0 5 9 5 线性热膨胀系数( l o 弧) n l2 9 0 ，4 砒= 6 5 ，4 砒= 3 0 静态介电常数 8 6 5 6 折射率 ，l 2 0 0 8 ( 口轴方向) ，2 0 2 9 轴方向) c l l = 2 0 9 6 ，c 3 3 = 2 1 0 9 ，c 1 2 = 1 2 1 1 ， 弹性系数( 1 0 1 1 n m 2 ) c ：f c 1 3 = 1 0 5 1 ，c 4 f o 4 2 5 压电常数( c m 2 ) 勺 p 3 l - 一0 6 l ，p 3 3 = 1 1 4 ，p 1 3 = 一o 5 9 3 0 0 k 下禁带宽度( e v ) 岛 3 3 7 激子束缚能( m e v )如 6 0 激子波尔半径( 姗) 口b 2 0 3 本征载流子浓度( c m 3 ) 疗 1 0 6 电子有效质量( m o )m e 0 2 4 空穴有效质量( m o ) 慨 o 5 9 z n o 的粉末多晶x 射线衍射( x i m ) 的主要衍射晶面有( o l o ) 、( 1 0 0 ) 、( 0 0 2 ) 、 ( 1 0 3 ) 等，如图l 一2 所示。优质的z n o 薄膜呈c 轴择优取向生长，其x l m 图上只出现一个( 0 0 2 ) 峰，2 矽为3 4 4 3 。 4 第l 章z n o 综述 图l 一2z 1 1 0 的粉末多晶x 射线衍射图 z n o 薄膜在o k 时的禁带宽度为3 4 4 e v ，室温下的禁带宽度是3 3 0 e v 【6 1 ，多 数文献引用的是约3 3 7 e v l 7 1 。室温下，z n o 的激子束缚能高达6 0 m e v ，比室温 热离化能2 6 m e v 大很多。因此与z n s e ( 2 2 n l e v ) 、z n s ( 4 0 m e v ) 和g a n ( 2 1 i n e v ) 相比，z n o 是一种合适的用于室温或更高温度下的紫外光发光材料，具有大的束 缚能的激子更容易在室温下实现高效率的受激发射。 z i l o 为极性半导体，本征呈n 型。通常认为，z n o 天然存在着锌间隙z i l i 和氧缺位v o ，本征呈n 型主要来源于晶体内的缺陷结构。有学者认为是z n o 薄 膜中锌间隙原子z n i 起旌主作用，并采用高能电子辐照实验加以证实【8 1 ；也有学 者认为n 型电导来源于氧缺位v o l 9 l ；还有学者认为z n i 和锌占氧位z l l 0 形成n 型 电导，同时也应考虑到缺陷络合物和其它杂质的影响【l o j 。我们认为，实际的晶 体中总是存在着各种各样的缺陷，偏离了理想品格的情况。本征缺陷经常在掺杂， 补偿，少数载流子寿命和发光效率等方面扮演了重要的角色。在z n o 中，存在 着：氧空位( v o ) ，锌空位( v z n ) ；氧填隙( o i ) ，锌填隙( z n i ) ；反位氧( o z n ) ， 反位锌( z i l o ) 。这些缺陷，有带电荷的，也有不带电荷的。形成能比较小的缺陷 有z 砰+ 、v 0 2 + 、z i 矿。它们属于本征施主缺陷。在富锌的条件下，这些缺陷更 容易形成，故z n o 本征是n 型。在价带顶附近，受主缺陷o i 2 一、v z n 2 一、o z n 2 一 的形成能都很大，故其浓度都很小，这也是本征z n o 是n 型的原因。 5 第l 章z n o 综述 1 2z n o 薄膜及其器件的应用 1 2 1 发光器件 z n o 作为一种直接宽禁带新型的光电器件半导体材料，有很好的光泵浦受激 辐射特性，可应用于紫外激光器、蓝光l e d 等领域，蓝光l e d 制造可使全色显 示成为可能，而紫外光激光器可使光盘的光信息存储密度大大提高( 光盘的信息 存储密度反比于激光束聚焦后光束的直径，而该直径又正比于激光的波长) 。尤 其是未来高质量p z n 0 的制得，n z n o 和p z n o 可用于蓝光l e d 和白光照明、 z n o 和z n o 纳米线可用于t f t 。此外z n o 发光器件还可应用于l d 等。 1 2 1 1z n o 紫外激光器 z n o 材料无论是在晶格结构、晶格常数还是在禁带宽度上都与g a n 很相似， 但对衬底没有苛刻的要求，容易成膜，在室温下具有高的激子束缚能( 约6 0 m e v ) ， 激子不被电离，激发发射机制有效，大大降低常温下的激射阈值。因此，z n o 在 紫外波段存在着受激发射的显著优点。 早在1 9 6 6 年，n i c o l 发现在电子束的抽运下，块材z n o 在低温下会产生受 激辐射【1 1 】，但其辐射强度随温度的升高而迅速衰减。随着p l d 、m b e 和m o c v d 技术的发展，美国、日本、中国香港等研究小组【1 2 。1 5 1 ，已相继研制出迄今为止波 长最短的半导体激光器一z n o 紫外激光器，著名的物理学家r o b e r t 为此在 s c i e n c e 上撰文【1 6 】予以高度评价。这些z n o 紫外激光器的具体情况如下： 1 9 9 6 年，美国d c r e v n o l d s 等人【1 4 】最先报道用气相外延法生长z n o 薄膜， 取其晶面组成光谐振腔，样品的厚度为l “m ，宽度为l m m 。他们用波长为3 2 5 胁、 输出功率为4 0 m w 、光束直径为1 2 m m 的h e c d 激光器作激发光源，抽运功率 为4 w c m - 2 时在2 k 的低温下观察到z n o 薄膜强的受激辐射。 几乎同时，y s e g a w a 等人【1 5 】用激光m b e 在蓝宝石衬底上制造z n o ，用2 0 m w 的h e c d 激光器作光抽运源，在室温下观察到z n o 薄膜中强的受激辐射。 发现在低于7 0 k 的低温下发射谱中束缚激子线占主导地位，在大约1 0 0 k 出现自 由激子发射，而且由于带隙的温度依赖性，自由激子线移向低能方向，一直到室 温受激辐射依然可以被观测到。当样品被短激光脉冲激发时( 3 5 5 m ，5 5 p s ) ，不 6 第l 章z n o 综述 但在室温下可观察到强的p 2 和p 线，而且还可观察到p 线的精细结构。这种精 细结构来自于标准法布里珀罗激光谐振腔模式。谐振模式和阈值的存在清楚地 表明，z n o 薄膜的激射来自于激子与激子的碰撞过程。他们还发现激射阈值依赖 于光激发方向，当垂直于样品晶面激发时，激射阈值较低，然而当激发旋转3 0 0 时，阈值增加近一个数量级。 1 9 9 7 年，日本东京大学材料研究所d m b a g m l l 【1 2 1 、香港科技大学p ：z u 【1 3 】 等人用m b e 分别得到具有自形成谐振腔结构的z n o 薄膜，并首次观察到室温下 4 0 0 l 】【1 1 1 附近的光泵浦紫外激光发射。其中香港p z u 等人【1 3 】用激光m