固溶體半導(dǎo)體Zn1-xMgxS薄膜性質(zhì)分析

1、固溶體半導(dǎo)體Zn1-xMgxS薄膜性質(zhì)分析 近年來,寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)光材料引起了人們的極大興趣,因為這些材料在藍光及紫外光發(fā)光二極管、激光器和紫外光探測器等光電領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。ZnS是- 族半導(dǎo)體中禁帶寬度最大的直接帶隙材料,有著廣泛的用途。為了探索其在短波領(lǐng)域更好的發(fā)展性,提高其紫外透過率和增大帶隙,人們試著在其中摻入Mg,以形成固溶體半導(dǎo)體。三元固溶體Zn1-xMgxS 具有比ZnS更大的禁帶寬度,是一種很有前途的光電子功能材料,既可以作為ZnS材料的勢壘層,也可以直接作為發(fā)光材料,因此制備Zn1-xMgxS薄膜,研究其性能,特別是其性能如何隨Mg含量x 的變化而改變, 有著重要的實際

2、意義。 1 、品制備與表征 1.1、Zn12xMgxS 薄膜的制備 Zn1-xMgxS 薄膜應(yīng)用雙源真空蒸鍍法制備。原料為純度99.99 %的ZnS 粉末和Mg粉末。在溫度分別為1100 1400 和500 650下, 原料升華,沉積在石英玻璃襯底上。在制膜過程中真空室的真空度優(yōu)于5.0 10-3Pa 。通過調(diào)節(jié)每個蒸發(fā)源的電壓、電流來控制蒸發(fā)源的溫度、各個成分的蒸發(fā)量和蒸發(fā)速率,以控制Zn1-xMgxS多晶薄膜中的Mg含量x值和薄膜的厚度及均勻性。通過Ambios XP-2 型臺階儀測定,實驗中制備的薄膜樣品厚度均控制在100nm200nm 之間。 1.2、實驗測試與薄膜表征 首先采用與掃描

3、電鏡相結(jié)合的Link-ISI300 型X射線能量色散譜儀( EDS) 測定Zn1-xMgxS薄膜的成分;然后由12kW的D/MAX-RC型X射線衍射儀(輻射波長CuK1為0.1540598nm) 作薄膜X射線衍射分析;最后用UV-2501PC 型紫外-可見分光光度計測量薄膜的紫外- 可見吸收光譜。 2、結(jié)果討論 2.1、成分分析 用X射線能量色散譜儀( EDS) 測定Zn1-xMgxS薄膜的成分,得到Mg相對含量x的值,圖1為一典型樣品的成分分析圖。成分中的Si來自石英玻璃中的SiO2,這臺儀器只能探測到原子序數(shù)大于11 的元素,測不到氧的成分,但是不影響其他成分的相對含量的測量。實驗所選取的

4、樣品分別為: x = 0、0.1、0.21、0.40、0.73。 圖1 Zn1-xMgxS薄膜的成分分析圖 2.2、晶格常數(shù)a與Mg含量x的關(guān)系 圖2 是不同Mg含量x的Zn1-xMgxS薄膜的X射線衍射譜圖。所有樣品的衍射譜圖中只存在一個明顯的峰,它對應(yīng)的是ZnS 的(111) 晶面族的衍射峰, 而沒有出現(xiàn)MgS對應(yīng)的峰,這說明Zn1-xMgxS薄膜仍然保持著ZnS 立方閃鋅礦構(gòu)造,與真空技術(shù)網(wǎng)某文章上當0 x 0.86 時,Zn1-xMgxS薄膜為閃鋅礦構(gòu)造的分析一致。通常真空蒸發(fā)制備的多晶薄膜擇優(yōu)取向非常明顯,X射線衍射構(gòu)造分析不能檢測到所有的特征峰,在薄膜較薄的情況下經(jīng)常只出現(xiàn)一個峰。

5、 根據(jù)XRD測定衍射峰的峰位值2,由布拉格公式和立方晶系的晶面間距公式: 其中d 表示晶面間距,為X 射線波長,h、k、l為衍射峰位(晶向) 所對應(yīng)的晶面指數(shù), a為晶格常數(shù),可以計算出不同Mg含量x的樣品對應(yīng)的晶格常數(shù)a 值,在選取的樣品中Mg含量從x=0增加到x =0.73時, 薄膜晶格常數(shù)a 值從0.5402nm減小到0.529298nm。這是由于Mg 的離子半徑小于Zn 的子半徑,逐漸增多的Mg 2+取代Zn 2+后占據(jù)Zn 2+ 的格點位置,引起陰陽離子間距變小,從而使得Zn1-xMgxS薄膜的晶格常數(shù)減小。 圖2 Zn1-xMgxS薄膜的X射線衍射譜圖 如圖3 所示,薄膜的Mg組分x與其晶格常數(shù)a呈線性關(guān)系,符合Vegard定律。通過線性擬合,我們得到了Zn1-xMgxS薄膜晶格常數(shù)的Vegard 定律實驗表達式為: a(x)=0.53965-0.01415x(nm) 我們實