離子注入Si基片生長ZnO納米團(tuán)簇及其對ZnO薄膜生長行為的影響.pdf

1、ZnO具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，是一種新型的直接帶隙寬帶半導(dǎo)體，其禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60 meV，可以實(shí)現(xiàn)室溫下的激子發(fā)射。ZnO薄膜可在低于600℃的溫度下獲得，較GaN，SiC和其它II-IV族半導(dǎo)體寬禁帶材料的制備溫度低很多，這些特點(diǎn)使ZnO具備了作為室溫短波長光電子材料的必備特征。因此，ZnO薄膜是一種具有希望的短波光電材料，研究ZnO薄膜的發(fā)光特性具有十分重要的意義。ZnO作為新一代的寬帶半導(dǎo)體材料，具有廣泛的應(yīng)用

2、，如：ZnO薄膜可以制成表面聲波諧振器，壓電器件，GaN藍(lán)光薄膜的過渡層以及透明導(dǎo)電膜等。自從1997年Tang等報(bào)導(dǎo)了ZnO薄膜的近紫外受激發(fā)射現(xiàn)象以后，ZnO再次成為當(dāng)今半導(dǎo)體材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。 本文采用離子注入加熱氧化法和RF反應(yīng)磁控濺射方法制備了ZnO納米團(tuán)簇和ZnO薄膜。針對它們的生長行為、表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)等開展了一系列研究工作。主要研究結(jié)果如下： 1.采用離子注入技術(shù)將Zn離子注入Si(001)基片，并在

3、大氣環(huán)境下加熱氧化制備了ZnO納米團(tuán)簇。研究結(jié)果表明，Zn離子注入到Si基片表面后形成了Zn納米團(tuán)簇，熱氧化過程中Zn離子向表面擴(kuò)散，在表面SiO2非晶層和Si基片多晶區(qū)的界面處形成納米團(tuán)簇。熱氧化溫度是影響ZnO納米團(tuán)簇結(jié)晶質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，隨著熱氧化溫度的升高，金屬Zn的衍射峰強(qiáng)度逐漸變?nèi)醪⑾?，而ZnO的(101)衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。當(dāng)熱氧化溫度高于800℃以后，ZnO與SiO2之間開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成Zn2SiO4。

4、2.離子注入對ZnO薄膜表面形貌和生長行為的影響較大，注入后生長的ZnO的晶粒尺寸明顯增大，隨著注入劑量的增加表面島的尺寸也增加，并有明顯聚集的現(xiàn)象。TEM照片也顯示未注入直接生長ZnO的晶粒尺寸小于注入后生長的ZnO晶粒尺寸，相應(yīng)的選區(qū)電子衍射呈現(xiàn)為一組離散的斑點(diǎn)，而非完整的衍射環(huán)，說明ZnO薄膜具有平面織構(gòu)。注入6×1016的Si基片表面濺射的ZnO薄膜相應(yīng)的衍射為閉合的衍射環(huán)，衍射環(huán)對稱性更加明顯。ZnO薄膜不僅在垂直表面的方向上

5、呈高度的c-軸取向，而且在平行于表面方向上也存在的固定的取向關(guān)系。 3.利用反應(yīng)射頻磁控濺射技術(shù)，通過對基體施加負(fù)偏壓濺射ZnO薄膜，探討了固定偏壓下ZnO薄膜的表面形貌隨沉積時(shí)間的演化以及不同偏壓對ZnO薄膜表面形貌的影響。研究結(jié)果表明，在-100 V的偏壓下，隨著沉積時(shí)間的增加，ZnO薄膜的表面島尺寸不斷減小，密度逐漸變大。ZnO在基片表面成核過程中的本征缺陷成核階段和轟擊缺陷成核階段的生長指數(shù)分別為0.45±0.03和0.