MgZnO/MgO应变超晶格的生长、物性调控及其深紫外光探测器件研究

Development of deep ultraviolet optoelectronic devices is of very most importance in the optoelectronic industry. As a result,related wide band gap semiconductors like AlGaN and MgZnO have attracted more and more interest. In this proposal, we plan to use plasma enhanced laser molecular beam epitaxy technique to epitaxially grow MgZnO/MgO strained-superlattices on various substrates with their bandgaps falling in the deep ultraviolet region (200-320nm), and fabricate deep UV light detectors with these novel MgZnO/MgO strained-superlattices.The phase transition, energy band structure and optoelectronic properties of MgZnO/MgO strained-superlattices will be modulated by adjusting the microstructure and the magnitude and distribution of strain within superlattice. This can potentially solved the problems in material engineering of wide-band-gap MgZnO alloys, such as the phase segregation，the composition inhomogeneity, the bandgap variation discontinuity and low device quantum effciency. We will investigate the influence of strain on the microstructure,band structure, exciton emissions and carrier transportation of superlattices and unveil the physical mechanisum behind that. The proposed study will provide high quality materials for deep UV optoelectronic detectors and inspire new ideas for device designation.

深紫外光电器件的研发是当前光电子领域中一个重要的发展方向，与其相关的宽带隙半导体材料的研究也备受人们关注。本申请项目拟利用等离子辅助激光分子束外延技术，在不同性质的衬底上生长禁带宽度在深紫外波段（200-320nm）的MgZnO/MgO应变超晶格材料；研究MgZnO/MgO应变超晶格的光学和电学特性随微结构变化的关系，并利用高质量的应变超晶格制备新型的深紫外光探测器件。通过改变超晶格的微结构和应力的大小和分布，对MgZnO/MgO应变超晶格的相变、能带结构和光电特性实施有效调控，解决目前宽禁带半导体MgZnO材料和器件研究中遇到的"相分离"、禁带宽度变化不连续和器件量子效率低的问题；揭示应变影响超晶格的微结构、能带结构、激子发光及载流子输运特性的物理机制。本项目的研究将为深紫外光探测器件的开发提供材料基础和新的设计思路，扩展II-VI族宽禁带半导体的应用范围。

深紫外光发射和探测技术市未来光电领域发展的重要方向，日盲紫外探测在火焰探测、导弹预警、紫外通讯和环境监控等领域有着重要的应用。由于II-VI族和 III-V族合金化合物MgZnO与AlGaN的研究基础良好，且通过调节合金的比例能够将带隙宽度扩展到日盲紫外波段。因此，这两种材料成为了近年来的日盲紫外材料研究的焦点。与 AlGaN 相比，MgZnO具有带隙可调范围宽、生长温度低等优点，是制备深紫外光电器件的理想材料。然而，高Mg组分的MgZnO合金存在分相的问题，严重影响了材料的性能。本项目以获得光学带隙大于4.4eV深紫外光探测材料为出发点，利用等离子辅助激光分子束外延技术，通过在不同种类和取向的衬底的选择，利用界面应力调控 MgZnO/MgO 超晶格材料的生长，为解决MgZnO合金分相的问题提供新的思路。主要研究内容包括:.1.在（1010）蓝宝石衬底上,利用激光脉冲沉积方法制备出（110）取向的立方相Mg0.21Zn 0.79O/MgO多量子阱纳米柱结构。通过透射电子显微镜观察发现，尽管间存在较大的晶格失配， 外延生长在MgZnO/MgO多量子阱纳米柱中仍然能够实现。多量子阱结构中阱层存在的压应力和量子限域效应导致了能带展宽和发光波长的蓝移，在光致发光谱中观察到274nm的深紫外光发射。 经过理论计算，发现应力作用对多量子阱纳米柱中立方相MgZnO的形成起到主要作用，证明了本项目利用应力实现立方相MgZnO/MgO单晶薄膜的可行性。.2.立方相结构的MgZnO合金薄膜的生长与物性研究。利用激光分子束外延技术，探索了在不同温度和氧气分压及激光功率条件下，在MgO(100)底上生长高Mg组分的MgZnO。发现MgZnO合金薄膜当中Mg浓度与衬底的温度和表面取向性和极性有密切联系。然后通过RHEED观察MgO（200）衬底上生长ZnO的过程，说明激光分子束外延生长MgZnO薄膜在沉积的各个阶段中的应力变化。在优化的条件下，在MgO（200）衬底上成功得到了单一立方相的Mg0.34Zn0.66O薄膜，并比较其内部应力和相转变压强，说明MgZnO薄膜的形成条件和原理。.我们的研究为立方相MgZnO合金的外延生长提供了丰富的实验依据，对未来在立方相MgZnO基础上研制日盲紫外探测提供了有益的参考。