硅基ZnO薄膜與一維ZnO材料的顯微結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種直接寬帶隙半導(dǎo)體材料,室溫下的禁帶寬度為3.37eV,激子束縛能為60meV,遠(yuǎn)高于其他寬禁帶半導(dǎo)體材料,也高于室溫下的熱運(yùn)動(dòng)能,可以實(shí)現(xiàn)室溫或更高溫度下的激子誘發(fā)的受激紫外輻射發(fā)光,因此,ZnO是制備室溫或更高溫度下半導(dǎo)體發(fā)光管及激光器的理想材料.ZnO還有豐富的納米結(jié)構(gòu),由于量子約束效應(yīng),ZnO納米材料會(huì)具有特殊的光電特性,禁帶寬度會(huì)增加,激子束縛能將進(jìn)一步提高,因此,ZnO納米材料在制備納米光電子器件方面有很

2、好的應(yīng)用價(jià)值,此外還可以在場(chǎng)發(fā)射、生物傳感等領(lǐng)域得到應(yīng)用. 目前,缺乏穩(wěn)定可靠的p型ZnO材料是實(shí)現(xiàn)ZnO基發(fā)光器件突破的瓶頸,因此,改善ZnO材料的晶體質(zhì)量、探索有效的p型摻雜技術(shù)是目前ZnO薄膜研究中的兩個(gè)重要方面,是目前迫切需要解決的問(wèn)題.提高ZnO薄膜的晶體質(zhì)量是獲得性能良好的p型ZnO材料的基礎(chǔ),這方面的突破將鋪平ZnO走向短波長(zhǎng)光電子器件實(shí)際應(yīng)用的道路,帶動(dòng)信息技術(shù)的革命. 現(xiàn)代高分辨電鏡,使我們可以在原子尺

3、度研究材料的顯微結(jié)構(gòu),從而極大地加深了我們對(duì)材料的結(jié)構(gòu)與性能的理解.本文的主要目的就是,利用透射電子顯微鏡,從微米、納米到原子尺度對(duì)硅基ZnO薄膜及一維ZnO納米材料的結(jié)構(gòu)、形貌、性能及生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行分析和探討.研究磁控濺射生長(zhǎng)工藝影響ZnO薄膜顯微結(jié)構(gòu)的本質(zhì),探索提高晶體的可能途徑,研究ZnO薄膜中原生缺陷與誘生缺陷的結(jié)構(gòu)形態(tài)與形成機(jī)理、以及硅基ZnO薄膜中的晶界結(jié)構(gòu);研究MOCVD法生長(zhǎng)的ZnO納米材料的生長(zhǎng)機(jī)理,探索控制ZnO納米材

4、料結(jié)構(gòu)與自組裝生長(zhǎng)的方法. 本文的研究?jī)?nèi)容分磁控濺射法生長(zhǎng)的ZnO薄膜與金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)生長(zhǎng)的ZnO納米材料兩個(gè)方面: (1)在優(yōu)化的工藝條件下,ZnO薄膜呈柱狀晶粒生長(zhǎng),并具有高度c軸垂直取向性.闡明了形成擇優(yōu)取向的主要原因是ZnO的[0001]晶向的選擇性生長(zhǎng),因?yàn)樵诜蔷а趸枭闲纬傻腪nO晶核具有c軸垂直取向,從而在最初生長(zhǎng)階段的ZnO就具有擇優(yōu)取向性.ZnO薄膜有高密度的原生缺陷,在生長(zhǎng)過(guò)程中

5、極易形成層錯(cuò)或位錯(cuò).大量的層錯(cuò)與位錯(cuò)等缺陷使得柱狀晶呈層狀的鑲嵌結(jié)構(gòu)(Mosaic).研究闡明了ZnO薄膜原生的層錯(cuò)是單錯(cuò)排層的層錯(cuò),擴(kuò)展位錯(cuò)的柏氏矢量為: ZnO薄膜的晶界是柱狀晶繞[0001]晶向傾轉(zhuǎn)的晶界結(jié)構(gòu),按取向差大小可分成三種:晶粒之間取向差比較低的小角度晶界,晶界由不規(guī)則排列的位錯(cuò)組成,其柏氏矢量為;晶粒之間取向差接近30°的大角度晶界,晶界沿著一側(cè)晶粒的{1010)面;大部分大角度晶界,晶界兩邊的晶體相對(duì)于晶界對(duì)

6、稱(chēng),晶界沿著接近{1120}的晶面.用重位點(diǎn)陣晶界模型分析了大角度晶界的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu).本文還研究了摻Cd的Zn<,1-x>Cd<,x>O薄膜的顯微結(jié)構(gòu).Zn<,1-x>Cd<,x>O薄膜Cd組分可達(dá)5 at.﹪,當(dāng)Cd組分進(jìn)一步增加時(shí),薄膜中形成了CdO相,成為Zn<,1-x>Cd<,x>O與CdO的兩相混合物. (2)研究了磁控濺射生長(zhǎng)工藝對(duì)ZnO薄膜顯微結(jié)構(gòu)的影響,在這基礎(chǔ)上提出了改善硅基ZnO薄膜晶體質(zhì)量的途徑.提高濺射功率,

7、對(duì)提高ZnO的晶體質(zhì)量不利.最佳襯底生長(zhǎng)溫度約400℃:在較低的襯底生長(zhǎng)溫度下,ZnO薄膜仍具有高度的c軸垂直取向,但晶粒內(nèi)的層錯(cuò)等晶體缺陷密度很高;超過(guò)400℃的襯底生長(zhǎng)溫度下,ZnO薄膜的c軸取向偏差增加. (3)退火處理能提高ZnO薄膜晶體的完整性,但過(guò)高的退火溫度,引起了間隙Zn原子的大量沉淀,形成了新的誘生缺陷,并消耗了相應(yīng)的氧原子,造成高密度的氧空位,使得n型載流子濃度增加.本文對(duì)ZnO薄膜高溫退火后形成的誘生缺陷進(jìn)

8、行了深入的研究與討論,誘生缺陷是間隙原子沉淀形成的3層錯(cuò)排層的插入型層錯(cuò),研究還發(fā)現(xiàn),Zn原子優(yōu)先在原生層錯(cuò)上沉淀時(shí),形成只有2層錯(cuò)排層的層錯(cuò).通過(guò)對(duì)原生的層錯(cuò)與退火后誘生的層錯(cuò)的顯微結(jié)構(gòu)研究,澄清了ZnO薄膜中三種層錯(cuò)的不同的形成機(jī)理,以及影響ZnO薄膜性能的原因. (4)研究了MOCVD法生長(zhǎng)的硅基ZnO納米線與納米管陣列的顯微結(jié)構(gòu),ZnO納米線具有六角型的截面形狀,納米線的側(cè)面是{1010}晶面.驗(yàn)證了通過(guò)實(shí)時(shí)控制生長(zhǎng)工藝

9、,增加反應(yīng)物流量使納米線的直徑減少.這種排列高度整齊、尖端只有10nm左右的ZnO納米線陣列,在場(chǎng)發(fā)射器件方面具有很大的應(yīng)用價(jià)值.ZnO納米管是在島狀ZnO緩沖層上外延生長(zhǎng)的六角型的空心管,六角型的側(cè)面是{2010}晶面.形成ZnO納米管的原因是ZnO納米管被限制在直徑在40～60nm的納米島范圍內(nèi)帶狀生長(zhǎng),使得ZnO納米帶成為六角形的納米管.如果ZnO納米管沒(méi)有封閉,就成為截面為多邊形的納米帶.本文為進(jìn)一步研究ZnO納米管的可控生長(zhǎng),