分子束外延生长的宽禁带纤锌矿MgZnO准合金MgOZnO超晶格的深紫外线光学特性.doc

分子束外延生长的宽禁带纤锌矿MgZnO准合金MgO/ZnO超晶格的深紫外线光学方程
摘要
含有MgO/ZnO超晶格的纤锌矿MgZnO准合金已经能够用在蓝宝石衬底高品质ZnO缓冲层上进行分子束外延生长的方法来制成。通过改变MgO和ZnO层的的厚度，准三元
MgZnO的等价带隙能可以在3.3到4.65ev调整。MgO/ZnO超晶格近带边能够发现阴极射线致发光的现象并且没有明显的深层次排放，MgO/ZnO超晶格准三元合金的
多量子阱结构肯定能够建造，能够从井层发射紫外冷光。这些结果表明他们在深紫外光发射和/或检测应用上的潜力。
一.引言
开发利用宽禁带半导体的较短波长区已经成为光电子学未来发展趋势。紫外光的应用能够运用到高效LED，高密度光存储和DNA分析（利用紫外激光器），有效感应的日盲
检测器，等等。宽带隙半导体的紫外功能在透明装置和电极发那个面也有潜在应用价值。
GaN基系统相比，ZnO为基底的半导体有较低的生长温度，设备的制造可以在塑料基板上，独特的光学功能因为其较高的激子集合能和双激子集合能（对于ZnO分别为60mv和
15mv）（注释：在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带中的空穴存在库仑作用力，形成一个束缚态。电子与空穴对，合称激子
它们之间的作用力即为激子结合能）。将Mg注入到ZnO中制造成MgxZn1
xO合金，能够增加带吸能，从纤锌矿ZnO的3.3ev到岩盐MgO的7.8ev，ZnO和MgO的键长的不匹配很小只有
0.1%.但也存在致命的相位分离问题，这是由于两者的稳定晶体结构差别很大，ZnO的晶体结构是纤维矿而MgO是岩盐。因此，到现在为止最大的带隙扩展被限制在3.9ev（对于ZnO）

对于这个问题，最近我们提出了用高品质的ZnO缓冲层来稳固MgZnO层的晶体结构，成功的在MgZnO层上生长出了纤维锌矿，结果生长成的单相纤维锌矿MgxZn1
xO中
Mg的x值为0.51和报道中一样高，带隙能为4.45ev，也与报道中的相同。然而，镁组成的进一步增加导致岩盐结构的包容。这是通过使用一个短周期的MgO/ZnO超晶格来克服的，MgZnO作为
准三元合金他的最大带隙能为4.65ev（带隙能定义为子带间的能量差），在本文中准合金的潜力作为深紫外光材料来讨论。
二。MgO/ZnO准三元合金的生长
分子束外延生长法是用固体Zn和Mg元素在O2气氛下射频（RF）13.56MHz生成的。清洗过程完成后，A面蓝宝石被用来作为基底。ZnO缓冲层在390摄氏度下生长，然后再740摄氏度下退火来
提高其结晶度。然后，氧化镁/氧化锌短周期超晶格结构作为准三元合金在490摄氏度下生长成。在生长过程当中，氧气气流量和射频RF功率分别为0.30sccm和400w。Zn离子束压强固定在2*10
6Torr，而
Mg离子束压强在(1–5)*10
7Torr的氛围内。
当氧化镁层厚度小于10nm时，氧化镁层会在高质量的ZnO缓冲层上呈现出纤锌矿结构。这使得制造厚度在0.2–6nm锌矿氧化镁/氧化锌超晶格准三元合金，withwhichtheequivalentMgcompositionortheequivalentbandgapofthequasi-alloys
的到控制。在生长过程当中保持斑纹反射高能电子衍射streakyRHEED方式能够生长出总厚度在200-500nm的准合金。MgO/ZnO周期超晶格结构通过投射显微镜观测得到证实。
三光学特性
阴极射线致发光光谱用一个装备有常规的场发射二次电子显微镜的系统取得。结果如图1所示，a线为MgO/ZnO超晶格准三元合金的光谱，b线为Mg0.42Zn0.58O单层光谱，两者的带隙能均已给出分别为4.4ev和4.25ev

带隙能是利用光学传输测量获得的。两者的光谱高峰分别在4.18和4.1ev，与带隙能相比这些值稍微有些低，这可能是因为杂质，缺陷，以及高能量激发是的较强表面复合；无论如何，将光谱高峰归因于近带变排放是合理的。另外，在光谱区没有发现明显的深层次排放。
MgO/ZnO准合金所允许的最大带隙4.65ev并没有清楚观测到，这是因为目前深紫外区的探测系统的探测器灵敏度比较低。
值得注意的是，准合金层不仅实现了较大的带隙能，而且通过改变组成层的比例控制带隙能，便于形成各种多层的或者需要的结构。例如，图2所示的改变厚度比例而形成的MgO/ZnO准合金层的多重量子井结构（样本a
这里，在多重量子井结构中井层和栅层分别包含MgO(0.4nm)/ZnO(0.5nm)*5和MgO(0.5nm)/ZnO(0.3nm)*4超晶格。两层的准合金带隙能分别为3.7ev和4.3ev.作为参考，样本b中的栅层为Mg0.4Zn0.6O层，他们的带隙能为4.3ev。
这些样本的光传输测量光谱如图3所示。显然的，ZnO