固溶体半导体Zn1-xMgxS薄膜性质研究(2)

图3 　Zn_1-xMg_xS薄膜晶格常数a与Mg组分x的关系

　　有了Zn_1-xMg_xS薄膜晶格常数的Vegard定律表达式, 就可直接用X射线衍射方法测得的Zn_1-xMg_xS薄膜晶格常数来确定其中的Mg含量x的大致范围。使用更高分辨率的X射线衍射仪,能够更加精确地得到x值。

2.3、薄膜光学带隙Eg与Mg含量 的关系

　　图4 是以石英玻璃为衬底的Zn_1-xMg_xS薄膜在室温下的紫外- 可见吸收光谱。测量中采用没有镀膜的石英玻璃片作为参考。

图4 　石英玻璃衬底上生长的Zn_1-xMg_xS薄膜紫外-可见吸收光谱

　　从图中可以看出,Zn_1-xMg_xS薄膜样品在356nm～275nm 处形成陡峭的吸收边,吸收率的显著增大,反映出Zn_1-xMg_xS薄膜的本征吸收为电子的直接跃迁过程,说明它仍属于直接带隙的半导体材料。入射波长大于吸收截止波长时,薄膜的吸收谱出现明显的振荡现象,它来自于薄膜的表面光学干涉,表明薄膜具有平整的表面 。随着Mg含量x的增大,光吸收边波长逐渐蓝移,说明了随着Mg组分的掺杂,薄膜光学带隙逐渐展宽。

　　实际上,对于抛物型能带的直接带隙材料,吸收系数与光子能量有关系式α(hν)=A(hν-Eg)1/2 ,其中A 是一常数, Eg为材料光学带隙。根据所测得的紫外- 可见吸收光谱(图4) ,通过换算,画出薄膜的吸收系数α的平方与(hν) 的关系曲线(图5),线性外推曲线与( hν) 轴相交, 交点即是薄膜的光学带隙Eg ,从而得出不同Mg含量x的薄膜光学带隙值如表1所示。其值均大于x=0时的ZnS的本征带隙, 这是由于重掺半导体的带隙受Burstein-Moss 效应和能带重整化的影响,相对于其本征带隙要偏大 。Zn_1-xMg_xS固溶体可理解为在ZnS中重掺Mg。

图5 　Zn_1-xMg_xS薄膜吸收系数α的平方与( hν) 的关系曲线

表1 　不同Mg 含量x 的Zn_1-xMg_xS薄膜光学带隙值Eg

　　如果三元固溶体半导体A _1-x B_xC 中AC 和BC是晶格匹配的,则可以线性地确定出带隙,但是如果AC 和BC不是晶格匹配,要计算出带隙则要用到弯曲效应(bowing effects) 。实验表明,A ,B 等化学价态的固溶体A _{1 - x} B _x C 中,一般不会随元素B 的掺入在原AC 禁带中产生新的能级,固溶体带隙Eg(x)与AC、BC 带隙EgAC、EgBC之间满足如下类似Vegard 定律:

E _{gA1- xBxC} = E_gAC + ( E_gBC - E _{gAC - b}) x + bx²

　　其中b 为弯曲参数, 与x 无关,它标志偏离Vegard 定律的大小。对于我们讨论的固溶体Zn_1-xMg_xS ,AC 相当于ZnS ,BC 相当于MgS。如图6通过对实验数据非线性拟合,我们得到了Zn_1-xMg_xS薄膜光学带隙Eg(x)的实验表达式为:

E_g(x)= 0.853 x²+0.086x+3.662(eV)

　　弯曲参数b 值约为0.853eV。当x = 1 时,得到MgS薄膜的光学带隙值EMgS = 4.601eV , 与真空技术网提供的EMgS = 4.6eV 吻合。

图6 　Zn_1-xMg_xS薄膜光学带隙Eg随Mg组分x变化的关系

3、结论

　　应用双源真空蒸发的方法,以纯度99.99 %的ZnS粉末和Mg粉末为原料,在石英玻璃衬底上成功地制备了不同Mg含量x 的三元固溶体半导体Zn_1-xMg_xS薄膜。通过测量薄膜的X 射线能量色散谱、X 射线衍射谱和紫外2可见吸收光谱所获得的实验数据,由Ve-gard 定律得到,在我们实验的范围内,不同Mg含量x的薄膜的晶格常数a 与x 的关系可表达为a(x)=0.53965-0.01415x(nm); 薄膜的光学带隙Eg与x的关系可表达为Eg(x)=0.853x2+0.086x+3.662(eV)。当我们有了这两个表达式以后,便可以利用最普通的测量薄膜X射线衍射谱得出的晶格常数值或测量薄膜紫外2可见吸收光谱得出的光学带隙值,来确定Zn_1-xMg_xS薄膜中Mg的含量x 。