磁控濺射氧化鋅薄膜結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性的研究.pdf

1、作為新一代的寬禁帶半導(dǎo)體材料，ZnO薄膜可以制成GaN藍(lán)光薄膜的過(guò)渡層、表面聲波諧振器、透明導(dǎo)電膜以及壓電器件等，并且有望替代GaN開(kāi)發(fā)出紫外、綠光、藍(lán)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(guān)注。 目前，ZnO薄膜研究的重點(diǎn)之一是高質(zhì)量ZnO薄膜的制備問(wèn)題。人們已經(jīng)探索了多種薄膜合成技術(shù)，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(lán)寶石、玻璃、石英以及硅等襯底上制備出高質(zhì)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(jià)且容易解理的襯底材料同時(shí)也是半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的常用襯底，因此在單晶硅襯底上生長(zhǎng)ZnO薄膜與目前的半導(dǎo)體工藝兼容，有利于光電集成。在各種薄膜合成技術(shù)中射頻磁控濺射法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、易操作、沉積的薄膜致密度高，沉積時(shí)襯底溫度低以及與襯底材料之間的附著性好等優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的射頻磁控濺射裝置中靶材和襯底材料對(duì)向放置，靶材的刻蝕不

3、均勻，利用率低；同時(shí)加大了高能粒子對(duì)薄膜的轟擊。為解決這些問(wèn)題，本論文運(yùn)用本學(xué)院現(xiàn)有的對(duì)靶磁控濺射鍍膜設(shè)備制備大量不同沉積條件的半導(dǎo)體透明ZnO導(dǎo)電薄膜，利用本學(xué)院的新進(jìn)的原子力顯微鏡和熒光光度計(jì)對(duì)薄膜進(jìn)行表面形貌和發(fā)光測(cè)試；并利用材料科學(xué)與工程學(xué)院的X射線衍射儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)測(cè)試。分別系統(tǒng)的研究了不同退火溫度及超聲處理對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)及表面形貌和其發(fā)光性能的影響；不同氧氣分壓對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)及表面形貌和其發(fā)光性能的影響；濺射時(shí)間、襯底溫度、不同緩沖層的

4、濺射時(shí)間、射頻功率、不同退火時(shí)間等制備條件和處理方式對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的影響?，F(xiàn)將全文所做的主要工作及其結(jié)論總結(jié)如下： 1．不同濺射時(shí)間會(huì)影響薄膜的結(jié)構(gòu)。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(dāng)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(shí)還發(fā)現(xiàn)，隨著濺射時(shí)間的增加，ZnO(002)衍射峰峰值強(qiáng)度先升高后降低，濺射3小時(shí)的樣品峰強(qiáng)最強(qiáng)，且具有最小的半高寬度(FWHM)，此時(shí)薄膜的品化程度最高。

5、 2．對(duì)濺射時(shí)氬氣和氧氣壓強(qiáng)分別為0.3Pa和0.6Pa時(shí)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(gè)強(qiáng)的紫外峰，峰值強(qiáng)度隨退火溫度升高而增加；同時(shí)樣品均出現(xiàn)一個(gè)398nm強(qiáng)的紫峰，其峰值強(qiáng)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(qiáng)的綠光帶，同時(shí)薄膜中出現(xiàn)了ZnO(100)衍射峰。 3．對(duì)不同

6、氧氣壓強(qiáng)下制備的薄膜，當(dāng)氬氣壓強(qiáng)為1.2Pa和氧氣壓強(qiáng)為0.6Pa時(shí)ZnO薄膜有最強(qiáng)(002)峰值強(qiáng)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(jié)晶度都達(dá)到一個(gè)較好的水平。且均在375nm附近出現(xiàn)了紫外峰，峰值強(qiáng)度隨氧氣壓強(qiáng)升高先增加后降低；并且亦都出現(xiàn)468nm的藍(lán)峰，其峰值強(qiáng)度隨氧氣壓強(qiáng)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(qiáng)度迅速升高，且其峰位逐漸向高角移動(dòng)。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(shí)半峰寬度達(dá)到最小，樣品結(jié)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(zhǎng)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(zhǎng)的ZnO薄膜具有(100)取向，但隨著緩沖層的生長(zhǎng)，(100)取向隨之消失。并且隨著緩沖層濺射時(shí)間的增加，薄膜(0

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