磁控濺射氧化鋅薄膜結構和發(fā)光特性的研究.pdf

1、作為新一代的寬禁帶半導體材料，ZnO薄膜可以制成GaN藍光薄膜的過渡層、表面聲波諧振器、透明導電膜以及壓電器件等，并且有望替代GaN開發(fā)出紫外、綠光、藍光等多種發(fā)光器件。因此研究ZnO薄膜的發(fā)光特性具有十分重要的意義，引起了人們的廣泛關注。 目前，ZnO薄膜研究的重點之一是高質量ZnO薄膜的制備問題。人們已經(jīng)探索了多種薄膜合成技術，如激光分子束外延(LMBE)、脈沖激光沉積(PLD)、溶膠-凝膠(sol—gel)和射頻磁控濺射等

2、方法，成功地在藍寶石、玻璃、石英以及硅等襯底上制備出高質量本征以及摻雜ZnO薄膜。與其他襯底材料相比，硅是一種廉價且容易解理的襯底材料同時也是半導體材料生長的常用襯底，因此在單晶硅襯底上生長ZnO薄膜與目前的半導體工藝兼容，有利于光電集成。在各種薄膜合成技術中射頻磁控濺射法具有設備簡單、成本低、易操作、沉積的薄膜致密度高，沉積時襯底溫度低以及與襯底材料之間的附著性好等優(yōu)點。但是傳統(tǒng)的射頻磁控濺射裝置中靶材和襯底材料對向放置，靶材的刻蝕不

3、均勻，利用率低；同時加大了高能粒子對薄膜的轟擊。為解決這些問題，本論文運用本學院現(xiàn)有的對靶磁控濺射鍍膜設備制備大量不同沉積條件的半導體透明ZnO導電薄膜，利用本學院的新進的原子力顯微鏡和熒光光度計對薄膜進行表面形貌和發(fā)光測試；并利用材料科學與工程學院的X射線衍射儀進行結構測試。分別系統(tǒng)的研究了不同退火溫度及超聲處理對薄膜結構及表面形貌和其發(fā)光性能的影響；不同氧氣分壓對薄膜結構及表面形貌和其發(fā)光性能的影響；濺射時間、襯底溫度、不同緩沖層的

4、濺射時間、射頻功率、不同退火時間等制備條件和處理方式對薄膜結構和應力的影響?，F(xiàn)將全文所做的主要工作及其結論總結如下： 1．不同濺射時間會影響薄膜的結構。在純氬氣氛下1hour所制備的樣品具有較好的C軸方向的擇優(yōu)取向。當通入氧氣后所有樣品均具有較好的C軸(002)擇優(yōu)取向。同時還發(fā)現(xiàn)，隨著濺射時間的增加，ZnO(002)衍射峰峰值強度先升高后降低，濺射3小時的樣品峰強最強，且具有最小的半高寬度(FWHM)，此時薄膜的品化程度最高。

5、 2．對濺射時氬氣和氧氣壓強分別為0.3Pa和0.6Pa時制備的薄膜，尢發(fā)光峰存在。隨退火溫度升高，ZnO(002)衍射峰擇優(yōu)取向明顯改善，并在378nm附近出現(xiàn)了一個強的紫外峰，峰值強度隨退火溫度升高而增加；同時樣品均出現(xiàn)一個398nm強的紫峰，其峰值強度亦隨退火溫度升高而有所增加，但峰位基本不變。但700℃退火的樣品經(jīng)超聲處理后在519nm左右出現(xiàn)了很強的綠光帶，同時薄膜中出現(xiàn)了ZnO(100)衍射峰。 3．對不同

6、氧氣壓強下制備的薄膜，當氬氣壓強為1.2Pa和氧氣壓強為0.6Pa時ZnO薄膜有最強(002)峰值強度和最小的FWHM，即最佳的C軸擇優(yōu)取向，薄膜成膜狀態(tài)接近穩(wěn)定，取向和結晶度都達到一個較好的水平。且均在375nm附近出現(xiàn)了紫外峰，峰值強度隨氧氣壓強升高先增加后降低；并且亦都出現(xiàn)468nm的藍峰，其峰值強度隨氧氣壓強升高先降低后增加；但兩峰峰位都基本不變。 4．所有沉積溫度下的ZnO薄膜均呈現(xiàn)高度的C軸取向特征，隨著沉積溫度的

7、增加，ZnO薄膜的(002)衍射峰強度迅速升高，且其峰位逐漸向高角移動。其半峰寬度的變化規(guī)律是隨著沉積溫度的增加而逐漸減小，在200℃時半峰寬度達到最小，樣品結晶度最優(yōu)；隨著襯底溫度繼續(xù)升高，其半峰寬度又有所增加。 5．所有生長在不同緩沖層上的ZnO薄膜都具有C軸垂直于襯底表面的(002)擇優(yōu)取向。只有在裸襯底上生長的ZnO薄膜具有(100)取向，但隨著緩沖層的生長，(100)取向隨之消失。并且隨著緩沖層濺射時間的增加，薄膜(0

8、02)衍射峰強度迅速升高；當緩沖層濺射時間為60分鐘時，峰強最高，但當其濺射時間為80分鐘時，峰強降至最弱。 6．在低功率40W時制備的薄膜沒有取向性，結晶質量很差；其他功率條件下制備的ZnO薄膜均為多晶結構。隨著射頻功率的增加，ZnO薄膜的(002)衍射峰強度逐漸增強，這表明薄膜的C軸擇優(yōu)取向性逐漸變強。在100W下的薄膜峰強最強，薄膜的擇優(yōu)取向性最好；但隨著濺射功率的進一步加大至120W，其強度降低，C軸擇優(yōu)取向性反而變差。