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ZnO/MgZnO超晶格的结构和光学特性

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带隙偏移为0.5ev的ZnO/MgZnO超晶格在蓝宝石沉底（方

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向0001）使用氧化锌缓冲层的激光分子束外延生长而成。用截面

透射电子显微镜，俄歇深度剖析和X-射线衍射验证得该超晶格结

构为8nm到18nm。当井层厚度下降小于5nm时，光致发光峰和

吸收边的光致发光激发光谱显示出蓝移，显示出量子尺寸效应。

氧化锌作为宽禁带氧化物半导体正日益受到人们的注意。在室温

下氧化锌带隙为3.34电子伏特，在紫外线光的发射方面具有潜在应

用价值。我们已经证明光泵ZnO薄膜（由六角形晶体紧密结合在一

起的蜂巢结构组成）低阈值(24kW/cm2）的室温激光行为。这里

有三个有趣的发现。第一，由激子-激子碰撞引起的受激发射过程，

在室温下也会发生，是因为非常大的激子束缚能（60meV）。第二，当纳

米晶的尺寸调整为50nm时，这种受激发射过程的阈值非常低。第三，纵腔（longitudina

cavity）通过六角形晶体间的晶界（grainboundaries如同镜子般）

自动形成。最近，我们报告，MgxZn1-xO合金膜可以通过脉冲激

光沉积制备，这显示出较高的带隙（最大为x=0.33时的4电子伏特）

和相似的晶格常数。激子重组的激子发射过程能够进一步被加强，

如果这种低维结构如同量子井，线，点那样建造。

在这里，我们报告ZnO/Mg0.2Zn0.8O超晶格的结构和光学特性。

从光致发光和光致发光激发光谱中发现量子禁闭效应（quantum

confinementEffect）。

MgxZn1-xO超晶格通过激光分子束外延（MBE）即在超真空室

内对陶瓷靶进行脉冲激光沉积（期间，利用高能电子衍射的影像进

行观察）.阻隔层的Mg组分为x=0.20，相当于在纯净的ZnO异质结面

（heterointerface）上0.5ev的带偏移（bandoffset）。在沉积过程中，氧气

压力保持在1×10-6托。在超晶格沉积之前，先在蓝宝石（0001）

衬底上550℃下生长一层100nm厚的ZnO缓冲层。然后在650℃下在

ZnO缓冲层上生成一个10个周期的超晶格。Zno层的厚度（Lw）为1.7

到12nm，Mg0.2Zn0.8O层的厚度（Lb）保持一个常数6.2nm。超晶格

结构的示意图如图1（a）所示。层的厚度是通过沉积时间来控制的，

同时考虑到了沉积速率（通过单层沉积实验来进行预设）。为了确

定阻隔层的Mg含量，MgxZn1-xO单层薄膜在相同条件下用MgZnO

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作为靶在蓝宝石衬底上生长而成，用电感耦合等离子体（ICP）设备

生成的光发射光谱（将薄膜溶解在0.1mol/l的HNO3溶液中）进行

组分分析。注意，我们选择靶的为0.1，是因为生长过程中Mg的

凝结由于ZnO的气压大于Mg的。

图1Lw=5.7nm，Lb=6.2nm的横断面示意图（a）和

ZnO/MgZnO超晶格的

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投射电镜照片（b）。AES测定的Lw=5.7nm，Lb=6.2nm超晶格的

深度与Mg密度的图像（c）。

图2，由X射线衍射图估测的超晶格周期为沉积时间和井层厚度的

函数。阻隔层厚度保持为6.2nm，而阱层厚度为1.7到12nm。该插

图显示了一个Lw=1.7nm的超晶格x射线衍射图（实线）和模拟曲

线（虚线）。

用接触模式原子力显微镜（contact-modeatomicforcemicroscope

——AFM）对薄膜表面形貌进行了检查，用透射电镜（cross-sectional

transmissionelectronmicroscope——TEM）对超晶格的结构进行描绘，用Auger

electronspectroscop——AESX射线衍射仪（Philips,X’-pertMRD）进行深度剖析。通过PL