论文部分内容阅读
能源与信息是当代社会的两大主题，宽禁带半导体在其中发挥着重要的作用。ZnO作为一种十分重要的宽禁带半导体材料，受到了国际上的广泛关注。自旋电子学作为一门新兴学科，是人类未来解决信息问题的重要抓手。本文主要致力于用甲醇做氧源，利用MOCVD技术在Si衬底上制备ZnO薄膜。通过对生长温度，反应室压强等一系列生长参数进行比较探索，我们获得了半极性(10-11)ZnO薄膜，并通过XRDФ扫描研究了它与衬底的外延关系和其它物理性质。同时，我们用XPS法测量了ZnO与金红石TiO2异质结之间的价带和导带能级差。此外，我们还用有效质量近似包络函数法，计算了AlGaN/GaN异质结三角阱中类氢施主杂质基态能级的束缚能和Rashba效应自旋轨道耦合劈裂能。主要得出以下结论：
(1)调节不同的MOCVD生长工艺条件后，我们发现当反应室压强为76Torr时，有利于外延出表面形貌好的ZnO薄膜。生长温度在500℃以下时，外延膜是半极性的(10-11)取向。温度越低，外延膜的形貌越平整，但是结晶性越差；而当生长温度达到600℃时，外延膜有(0002)和(10-11)两个取向，形貌也变得很差。所以我们认为500℃是半极性(10-11)ZnO的最佳生长温度。
(2)通过XRDФ扫描和Raman测试，我们得到了半极性(10-11)ZnO薄膜与衬底的外延关系为：ZnO的(10-11)面平行于Si的(111)面，[10-12]晶向平行于Si的<11-2>晶向族。外延膜存在面内张应力，高的生长温度有利于应力的释放。高温退火后，外延膜形貌会变得糟糕。
(3)通过比较退火前后样品的XRD，SEM及Raman测试结果，我们认为形成这种外延模式的原因是：Si(111)表面吸附甲醇分子后再构，以及在生长过程中，在甲醇的钝化作用下抑制了ZnO(0002)方向的生长。生长温度过高时，Si(111)表面只能被甲醇分子部分吸附，并且生长过程中甲醇的钝化作用减弱，使得(0002)方向成为主要晶向。
(4)利用MOCVD技术在金红石型TiO2衬底上生长了ZnO/TiO2异质结，并运用XPS法测量了异质结的价带差和导带差，其值分别为0.14±0.05 eV和0.45±0.05 eV，可以证实它们之间是第二类异质结。
(5)我们用有效质量包络函数法计算了AlGaN/GaN三角形量子阱中，类氢施主杂质的基态束缚能以及Rashba效应的自旋劈裂能。我们发现，随着异质结中内建电场的增加，三角阱的电子有效阱宽将减小；电子的束缚能将增大。并且，随着类氢施主杂质在三角形量子阱中位置的不同，自旋劈裂能会先增大后减小，极大值出现在阱中位置。同时，随着内建电场的增大，自旋轨道劈裂能也将迅速减小。在F=1MV/cm时，自旋劈裂能的极大值为1.22meV。