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高Mg掺杂量的纤维矿型MgZnO薄膜
和它通过加速电子原理获得的深紫外光源的应用
本文介绍一种通过组分梯度的MgxZn1-xO作缓冲层，制取以蓝宝石为基底，高Mg掺杂量的，六方纤维矿单相的，禁带宽度为4.35ev的MgZnO薄膜的方法，
该方法通过固态结构中的加速电子作为激发源获得波长等于285nm的近带边发射的Mg0.51Zn0.49O薄膜。所以本文将提供一种可靠的，获得高品质深紫外区光源的方法。因而也解决了掺杂获得宽禁带半导体的难题。
深紫外光区光源是指激发波长小于300nm的光源，在高强度数据存储，水和空气的净化，生物和化学药剂的探测和药物的诊断有非常广范围的潜在的应用性，然而，当前使用最多的DUV光源体积大，昂贵，更糟糕的是甚至还可能带来严重的金属污染，这些都是限制紫外光源的发展和应用急需解决的问题。作为水银灯泡最可靠的替代品，基于宽禁带半导体的DUV紫外光源有许多的优点，例如低的电量消耗，效率高，体积小，使用寿命长，低污染等等。因此，最近该领域获得了许多关注，从而许多p-n节半导体光源被获得。虽然许多文章已经说明DUV光源的发光是由于宽禁带半导体的p-n节结构引起的，但是由于施主和受主之间有相对的很大激活能，通过n型的半导体掺杂和p型的半导体掺杂来增加半导体的禁带宽度来获得DUV光源是非常大的挑战。最近有一种在高压的真空的环境下获得的，通过激发电子束作为激发源的DUV光源，这种制造工艺使得这种光源体积大，同时也减少它的使用性。
MgZnO是一种禁带宽度从3.37ev到7.8ev可以调节的材料，其覆盖了很大部分的DUV紫外光谱的范围，是非常合适的紫外激发光源的候选材料，而且，和其他的宽禁带的半导体材料相比，它具有许多独特的优点，比如具有很高的耐辐射性，具有顺从传统的湿化学腐刻性，很环保，相对比较低的生长温度。因此MgZnO薄膜是非常可靠的以加速电子作为激发源的DUV光源材料。可是MgO容易形成面心立方结构，ZnO容易形成六方纤维矿结构，所以很难获得高Mg掺杂量的单相的MgZnO薄膜，尤其是当禁带宽度适合DUV光源范围时，更难获得单相的六方纤维矿结构的MgZnO的薄膜,这就是MgZnO薄膜的著名的单相形成问题，虽然研究者们付出了好多努力来合成高Mg掺杂量的单相的MgZnO薄膜，比如使用高质量的ZnO作缓冲层，比如使用低Mg含量的MgZnO作缓冲层，到目前为止没有一篇文章的DUV光源的ZnMgO薄膜是六方纤维矿的单相的结构。这是由于在热膨胀系数和晶格常数方面，覆盖层和缓冲层或基板之间的错配引起的张力限制了MgZnO相对低的光学性质。一种组分梯度缓冲层（CGBL）已经可以解释它可以高效的降低在AlGaN/GaN,AlGaAs和SiGe/SI异质结构中的拉伸生长张力，这种组分梯度缓冲层（CGBL）减少覆盖层和缓冲层或基板之间集中的接触，而缓冲层（CGBL）产生逐渐的应力疏松避免覆盖层和缓冲层或基板之间的错配的影响，因此这种组成分梯度缓冲层可以帮助我们获得高Mg的含量的单相的高质量的六方纤维矿结构的ZnMgO的薄膜。
在这篇文章中我们主要介绍禁带宽度为4.35ev的单相六方纤维矿的MgZnO薄膜，这种MgZnO薄膜是用MgZnO组分梯度作缓冲层，通过分子束外衍技术，在蓝宝石基板上制取的。制取和设计的DUV的紫外光源是Au/MgO/W-Mg0.51Zn0.49O/MgxZn1-xO/n-ZnOD的结构，用Au作负极，电子从Au负极向MgO层运动，由于在相对较大MgO层电子域里面的电子会被加速，被MgO电子域加速这些电子将刺激W-Mg0.51Zn0.49O层，一旦W-Mg0.51Zn0.49O层获得足够多的能量，用这种方式获得的DUV紫外光源的波长大约是285nm，我们已经观察到这种方式导致W-Mg0.5Zn0.49O发光的波长接近于它的禁带发射宽度。
图片1:没有组分梯度Mg0.51Zn0.41O薄膜的XRD分析，
表格的系数说明了没有组分梯度Mg0.51Zn0.41O薄膜的相组成结构。
用VG ， V80H分子外延技术制取生长c轴择优取向较好的蓝宝石为基片的MgZnO薄膜，作为生长的前驱体是Zn元素 （纯度度大约为6N），Mg元素 （纯度度大约为6N），氧元素（纯度度大约为5N），氧气用射频为13.56MHZ，混合功率为300w的等离子电池（型号为Model HD25）激活，Mg0.51Zn0.41O在生长过程中，蓝宝石的温度是500摄氏度，压力大约是2.5*10-5毫巴，Mg0.51Zn0.49O之前的缓冲层的掺杂量大约从0到0.51变换，这些缓冲层逐层在蓝宝石基板上构成组分梯度，该梯度缓冲层的结构为Au/MgO/Mg0.51Zn0.49O/MgxZn-xO/n-ZnO。厚度为550nm，电子浓度为3.2*1018 cm-3， 霍尔系数为65CM2V-1S-1的纯ZnO作为导电层。厚度为320nm的组分梯度缓冲层MgZnO，厚度为310nm的Mg0.51Zn0.49O分别镀在ZnO的导电层上，镀完上述各层后，将厚度为100nm的MgO层用99.99%Mg元素靶材，以射频功率为190w，通过射频磁控溅射镀在Mg0.51Zn0.49O的上面，半透明的Au层在MgO层的上面，In真空蒸发在ZnO层上做电极。
该薄膜的电学性质用霍尔测试系统测试（霍尔测试系统的型号为lakeshore7707），XRD（Cu-Kalpha;辐射，波长为1.5406Aring;）检测薄膜晶体的性质，Mg元素含量用X射线能谱法检测，薄膜的光谱吸收用UV—3101PV检测，用波长等于224nm的分光光度计分析光线的透过情况，晶体当前的电压特性用吉时利-2611A光源表分析并画成I-V的曲线，发射光谱用日立F4500分光仪进行检测。
由图片一的XRD的横坐标可以得到不含MgxZn1-xO组分梯度缓冲层，以蓝宝石为基底的Mg0.51Zn0.49O薄膜的XRD的2theta;角的度数。比如，在有MgxZn1-xO组分梯度缓冲层的薄膜中，除了蓝宝石的（006）比较明显的衍射峰外，只有一个度数为35.5度的衍射峰比较明显，这个35.5的衍射峰是MgZnO合金的（002）晶面的衍射峰，和纯的ZnO的(002)晶面的34.4度的衍射峰相比，我们可以注意到MgZnO合金的（002）的衍射峰发生了明显的向大角度平移的现象，与此同时，在小角度范围这个衍射峰变得轻微的不对称，这可能由于是MgxZn1-xO的组分梯度引起的，同时，没有任何可以发现的迹象可以表明在Mg的含量较高的MgZnO的薄膜中存在相的分离。和Mg0.51Zn0.49O的没有MgxZn1-xO的组分梯度缓冲层直接镀在蓝宝石基底的薄膜相比，在该薄膜结构明显的可以看到两个衍射峰，一个是35度和MgZnO薄膜晶体的（002）晶面相吻合的衍射峰，一个是42.8度与MgO的面心立方（200）晶面相吻合的衍射峰，可以明显看到，在和没有MgxZn1-xO的组分梯度缓冲层而直接镀在蓝宝石基底的Mg0.51Zn0.49O薄膜相比，不具有缓冲层的晶体有明显的分相现象。因此不具有MgxZn1-xO的组分梯度缓冲层而直接镀在蓝宝石基底的Mg0.51Zn0.49O的薄膜，其晶体的35度的衍射峰的强度比有MgxZn1-xO组分梯度缓冲层的Mg0.51Mg0.49O薄膜晶体的35度衍射峰的强度小，所以上面的实验说明MgxZn1-xO组分梯度缓冲层非常适应MgZnO的六方纤维矿的结构，对避免分相，提高ZnMgO薄膜光学性能具有重要影响。
在室温下的PL光谱分光光度计分析具有MgxZn1-xO组分梯度缓冲层的Mg0.51Zn0.49O薄膜的数据如图
图二：Mg0.51Zn0.49O的具有MgxZn1-xO组分梯度PL光谱和吸收光谱
可能是由于Mg0.51Zn0.49O的近边带发射引起，一个波长为283nm的发射峰可以在PL光谱中明显看到，与此同时可以看到一个300nm-330nm更宽范围的波长，现在通过没有MgxZn1-xO的组分梯度缓冲层而直接镀在蓝宝石基底的Mg0.51Zn0.49O的薄膜的PL谱和有MgxZn1-xO组分梯度缓冲层的Mg0.51Mg0.49O薄膜的PL谱相比，可以得出这是由于MgxZn1-xO组分梯度缓冲层引起了上面的数据的变化，具有MgxZn1-xO组分梯度缓冲层Mg0.51Zn0.49O薄膜的禁带宽度，光学吸收范围可以由图片2（b）分析，通过箭头标注的明显可以看到两个吸收峰的成分一个是Mg0.51Zn0.49O的薄膜，一个是具有MgxZn1-xO的组分梯度缓冲层的Mg0.51Zn0.49O的薄膜。由图片2（b）的计算Mg0.51Zn0.49O的禁带宽度大约是4.45ev，禁带宽度导致的吸收光谱的范围的与PL光谱的数据很吻合。
因为可以获得了单相的Mg0.51Zn0.49O薄膜，DUV紫外光源可以由Au/MgO/W-Mg0.51ZN0.49O/MgxZn0.49O/n-ZnO结构制取。图三是原理图和电子发射几何路径
Mg0.51Zn0.49O的I-V的特性如图三（a），背面由于所处的状态被定义为负极，并且该面与金表面相接触，由于明显的整流现象使得I-V曲线明显的不对称，不同背面的发射光谱的的特性如图三（b），在电压为45v的背面可以很明显的观察到发射峰的波长为285nm，考虑到波长为285nm的发射峰和Mg0.51Zn0.49O薄膜的Pl光谱的发射峰非常接近，Mg0.51Zn0.49O的Pl光谱中的发射峰是由于近边带发射引起的。可是由该图片也可以明显的看出，Mg0.51Zn0.49O的该波长的增加倾向明显，与微弱缺陷引起的发射峰相比，发射峰在在可见光范围并没有明显的减弱倾向，这种以明显的近边带发射为发光原理的Mg0.51Mg0.49O是非常理想的DUV的紫外光源的材料，这种DUV光源的发射原理解决了非常有名的P型半导体与N型半导体增加禁带宽度的难题，基于DUV光源的成功表现因此我们提供了一种非常可靠的加宽半导体禁带宽度的方法。
由 Au/MgO/W-Mg 0.51 Zn 0.49 O/Mg x Zn 1-x O/n-ZnO结构根据能带匹配原理，我们可以很好的理解上面讲的光源原理，如图4：
图4
由于不同的倾向，例如45V的电压时，由于它的绝缘的性质，大部分电压都加在了MgO层上，因此MgO 功能和价带将发生彻底的改变，MgO的电压下降将比金的电子跃迁的能障大得多，因此在这种情况下，电子从Au层到MgO层的转移的通道的三角禁带宽度将被明显的缩窄，因此自由电子可以直接通过福勒-诺得海姆通道进入MgO的导带，MgO层的厚度只有100nm，电子域在MgO层比例非常大，因此一旦自由电子由Au的一层进入MgO时，自由电子将会在这样的电子域中获得很高的速度以及很大的能量，一旦具有高速度，高能量的自由电子进入Mg0.51Zn0.19O不稳定层，这些自由电子将通过激发MgO价带的电子释放能量，将MgO的价带变为导带，释放出自由电子留下空穴，接下来这些自由电子将与MgO中的相关的价带，空穴结合，使DUV光源发光。我们注意到自由电子是在Mg这层被加速，而不是像其他实验在真空环境电子才被加速，这样使得DUV光源体积小，可以注意到整个结构的厚度也不过几百纳米，由于体积小，性能好，这种薄膜在很多领域有实用性，比如在严格要求体积大小和形状的领域，这种体积小，性能好的的薄膜便有很大的应用潜力。值得注意是，关于之前的紫外发射光源报道说，在金属绝缘半导体结构下，由于绝缘体层中的电离过程的影响，在电子激发的离子化过程中，声子的阈值能量可由下面的表达式计算， Eth=Eg(2 lambda;/
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