在氧化沉底上利用化学计量运输的高温外延元的稳定硫化物.docx

湖北大学本科毕业论文（设计）外文翻译在氧化沉底上利用化学计量运输的高温外延元的稳定硫化物原文来源：Adv. Mater. 2001, 13, No. 21, November 2译文正文由于外延生长 的硫化物在光电器件上的潜在应用，大家对异质外延生长的硫化物有极大的兴趣。特别的，由于具有很高的激子束缚能（38meV）和宽禁带（3.7eV）。在光电子学中ZnS是其中最具有吸引力的一种半导体材料。然而，由于硫的高反应性蒸汽压ZnS薄膜遭受复杂的衬底处理。正如我们所知道的，和Si,GaAs和GaP一样，利用钝化使硫的反应活性最低并且对于外延闪锌矿ZnS的生长适用。它们与ZnS几乎晶格匹配，但遗憾的是热学性质不稳定，透明并且价格昂贵。对于ZnS的各种实际应用，在基底选择上的限制一直是一个严重的问题。由于其热稳定性和高透明度，蓝宝石是最为广泛使用的氧化物和氮化物的生长基底。本文中，在蓝宝石衬底上生长ZnS是有利 的。然而，蓝宝石和ZnS有很大的晶格失配（20%）。通过域匹配而不是通过晶格匹配是一个异质外延生长所必须的 。域匹配要求生长前驱体高的表面迁移率，这意味着高的生长温度对于加强表面迁移率和获得蓝宝石上的外延ZnS式必不可少的 。然而，硫在400C以上挥发，所以为了阻止硫的再次挥发，生长温服必须在400C以下，因为这样能够排除ZnS在蓝宝石上的外延生长。分子束外延（MBE）是一个很好的典型的生长硫化物的方法，但是前面提到的限制不能克服。由于可以通过化学计量将材料从消融的靶材运输到衬底上，和其他方法相比激光脉冲沉积（PLD）是一个更好的方法来生长复合材料。这种方法可以被用于硫化物的高温生长同时抑制与硫的不利反应。这些特点使在氧化物衬底上生长外延硫化物成为可能。然而，尽管在相关生长上有很大潜力，但是这种脉冲激光沉积的高温生长模式很少被用于生长硫化物薄膜。这种PLD的生长模式的另一个好处在于能够得到高温下的亚稳相。ZnS具有两相多态性。一种是立方相的闪锌矿（ZB），另一种是六角相的纤锌矿（W）。对于每种结构有不同的密排面堆积顺序。闪锌矿通常很稳定，在1023C转变成纤锌矿。热稳定性对于可靠的器件操作很重要，所以对纤锌矿ZnS的制作，需要有在更高温度下形成的ZnS。生长温度的限制限制了纤锌矿ZnS薄膜的制作，然而闪锌矿ZnS在低于400C在GaAs上生长。只是我们对于纤锌矿不够了解的一个主要原因。然而ZnS已经被研究了数十年。本文中，脉冲激光沉积被用来在高温下（800C）在蓝宝石沉底的c面（001）生长纤锌矿。从脱落的ZnS靶材上的生长种类被分析。高质量的纤锌矿的制作与性质在这里给予报告。图1 在2*10-8托的低压下从靶材上脱落的ZnO质谱图1显示每个ZnS结晶靶材的激光解吸飞行时间质谱（LD TOF-MS）数据。ZnS靶材在一个2*10（-8）托的固定的气压下脱落。和所预料的一样，尽管与超过观测强度极限的Zn的峰值相比它的峰值强度很弱，但是观察到ZnS化学计量品种的存在。传统的分子束外延系统使用独立的Zn和S分子的生长种类。相反，ZnS品种是典型的PLD生长品种。与单独的Zn和S品种相比，ZnS品种具有热稳定性。因此只有这些化学计量的品种能够在更高温度下粘附在表边上，然而由于高蒸汽压，Zn和S品种几乎完全再次蒸发。考虑到这个，高温下在蓝宝石沉底的ZnS外延通过域匹配可以得到。图2（a）不同温度下生长的纤锌矿薄膜沿着曲面法线2XRD图谱图2（a）显示这些长在从200C到800C温度范围的XRD模式。所有这些薄膜在28.5附近显示（002）（004）（006）的峰值，表明它们有（002）方向的纤锌矿结构。700C是(002)面的 半最大值全宽度（FWHM）为0.038，表明延C轴方向具有大的域尺寸（230nm）的良好的结晶。如插图所示，C轴的晶格常数接近大部分的ZnS的值并且X射线摇摆曲线的半最大值全宽度（FWHM）随着Ts的增加而减小。子啊500读C时，硫的蒸汽压大于一个大气压，令人吃惊的是，尽管有S和Zn的高蒸汽压，在800C的高温时可以得到高质量的ZnS薄膜。图2B显示出衬底温度对于生长速率和室温下的光学禁带宽度（Eg）的影响。随着温度从200C增加到700C，生长速率从0.33降到0.10A/脉冲。但是生长速度在高于700C达到饱和。在从200C到700C的显著变化主要由于由高蒸汽压引起的Zn和S品种再次蒸发的增加。图2b中生长率的饱和表明只有热稳定的ZnS品种才能在高温下生长结合。作为在高温下生长品种选择性的掺入到薄膜表面的结果，即使在裸蓝宝石沉底上生长外延ZnS薄膜是有可能的 。图2（b）以不同的生长速率作为温度的函数的平面图图2b中，禁带宽度从3.54eV增加到3.74eV。3.74eV的禁带宽度值与大多数的纤锌矿的值可以相比较。禁带宽度的结果与XRD跟生长速率结果符合的很好。这表明，随着温度的增加，薄膜构成变为化学计量。稍后将描述详细的光学性质。图3 在800C下生长的薄膜沿L方向的衍射剖面要确定通过X射线衍射测量的的相，最后要的问题是纤锌矿的（002）X射线衍射图谱的衍射峰与闪锌矿的（111）衍射峰重叠。从哪些布拉格峰不能决定晶格结构。此外，由于小的禁带宽度区别，这两个相不能被大多数光学方法所区分。沿着方向在倒易空间的衍射谱的动量在L=0.7,1.3和1.0附近可以分别观察到闪锌矿（111）、锌矿（002）和纤锌矿（101）。如果这些薄膜被认为是纤锌矿结构，那么在衍射峰行中只有W（101）峰值能够被观察到。图3显示出了在Ts=800C下延L方向生长的薄膜的衍射峰形。在图3中可以看出，在L变化范围由0.5到1.5A-1可以观察到闪锌矿（111）、纤锌矿（101）和闪锌矿（200）的峰值。与纤锌矿相比闪锌矿（111）峰的强度很弱。这表明，尽管层叠层之间的顺序有点无序，但是膜结构是纤锌矿。这些事实证实ZnS薄膜是与蓝宝石衬底有外延关系的纤锌矿结构。一般来说，在C-蓝宝石沉底上生长的纤锌矿材料，比如ZnO和GaN，由于薄膜与衬底的失配会导致30的基底平面旋转。这种旋转使Zn或Ga束缚在蓝宝石的子层中的氧。然而，事实上，没有发现在纤锌矿和C-蓝宝石衬底的旋转。这种特殊的布置（Al2O3（119）/纤锌矿（101）使得五种纤锌矿适合四种Al2O3，并且只产生了-0.47%的域失配。这样就把ZnS薄膜生长在没有旋转的C-蓝宝石。由于ZnS的高离子性，在接触面的库伦作用被认为有助于高温下的域匹配。然而，对于域匹配的起源的更进一步的研究是有必要的。图4（a）在800C下生长的ZnS薄膜的光致发光谱和透过率图4（b）Ex(A)、Ex（B）、Ex（C）与温度的关系由于热量会导致薄膜表面的局部加热，一部分从靶材上脱落的ZnS样品的入射能量会减少。这种局部加热也被认为是有助于纤锌矿的生长。由于慢变动力学，在800C形成的纤锌矿你能够坚持到室温（RT）。在800C生长的的薄膜在5K和室温下的光致发光和透射谱显示在图4a。在5K，伴随着A-、B-、C-激子跃迁的Ex（a）、Ex（b和Ex(c)三激子吸收共振第一次被观察到。虽然激子共振随着温度的升高而扩大和相互重叠，但它们仍能够在室温下被观察到。这表明该薄膜具有足够高的质量来抑制在室温下使激子峰观测模糊的非均匀性引起的增宽效应。图4b表明Ex(A)、Ex(B)、Ex(C)的能量的与温度的关系，这符合波尔-爱因斯坦公式。获得的E（0）、a、H值是无穷小量结合固定的和平均的声子能量。Ex（A）获得的E（0）、a、H值为3.869eV，0.48meV，241K；Ex（B）获得的的E（0）、a、H值为3.898eV、0.47meV、234K；Ex(C) 的E（0）、a、H值为3.982eV、0.45meV、233K。薄膜的E（0）值高于闪锌矿激子线的最低值（3.805eV）。然而，a和H值近似于闪锌矿的值(a = 0.54 meV,H = 272 K)。我们试图去估计薄膜的自旋轨道和晶格分裂能。一般情况下，相关的计算方法取决于是否考虑率应变作用。由于薄膜的C-晶格常数和激子能与纤锌矿基本一致，因此不需要考虑应变作用。两个分裂能量在极低的温度下被确定为88 meV和58毫电子伏特，这和大多数报告的纤锌矿的这两个值很相似。因为PL频带的峰值能量与5K时Ex（B）的透射光谱相一致，所以图4a中 的PL频带归属于B-自由激子。在3.86eV附近的PL峰包括一个杂志束缚和A-自由激子的放热的复合叠加贡献。室温下3.74eV观察到明亮的PL。室温下的PL峰接近被激子吸收降低了的透射比能量范围。这表明，激子发光可以降到室温。总之，我们实现了通过高温PLD生长模式用ZnS品种的纤锌矿薄膜的生长。在亚稳态的形式，质量最好的纤锌矿薄膜生长在C-面（001）的蓝宝石衬底上。这第一次从纤锌矿