SR-MOCVD方法沉積ZnO薄膜及其性能研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種重要的化合物半導(dǎo)體光電材料，它具有良好的物理特性：直接帶隙能帶結(jié)構(gòu)、室溫禁帶寬度3.37eV、激子束縛能60meV，是制備紫外發(fā)光二極管、特別是制備室溫紫外半導(dǎo)體激光器的優(yōu)選材料。本文利用同步輻射輔助的MOCVD(SR-MOCVD)方法沉積了ZnO薄膜并對(duì)ZnO薄膜的特性及生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了研究。 1.設(shè)計(jì)組建了SR-MOCVD系統(tǒng)；利用DEZn和O2為反應(yīng)源對(duì)此SR-MOCVD設(shè)備進(jìn)行了調(diào)試，使得ZnO薄膜能

2、夠均勻沉積。 2.為了研究SR-MOCVD方法沉積ZnO薄膜的機(jī)理，首次利用同步輻射真空紫外光、超聲分子束裝置和反射式飛行時(shí)間質(zhì)譜儀，研究了金屬有機(jī)生長(zhǎng)源DEZn的光電離解離質(zhì)譜和產(chǎn)物離子從8～22eV范圍內(nèi)的光電離效率譜。從質(zhì)譜中得到了DEZn光電離產(chǎn)生的碎片離子的種類(lèi)，主要有ZnC2H5+、C2H5+、Zn+等；從光電離效率譜中獲得了ZnC4H10的電離勢(shì)(8.20±0.05 eV)和相應(yīng)碎片離子的出現(xiàn)勢(shì)。依據(jù)文獻(xiàn)中提供的熱

3、力學(xué)數(shù)據(jù)，估算出主要碎片離子的生成焓，并對(duì)它們的解離通道和分支比進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，其主要解離通道是母體離子發(fā)生Zn-C鍵的斷裂而直接解離形成ZnC2H5+和C2H5+離子，ZnC2H5+離子再進(jìn)一步解離形成Zn+離子，并且含鋅碎片離子的豐度占據(jù)75％以上。 3.以二乙基鋅(DEZn)和二氧化碳為生長(zhǎng)源，分別利用SR-MOCVD和MOCVD兩種方法以Si(001)為襯底變換溫度生長(zhǎng)了ZnO薄膜。采用X射線衍射(XRD)，掃描電

4、鏡(SEM)，X射線光電子能譜(XPS)和同步輻射光譜技術(shù)(PL、PLE)對(duì)ZnO系列樣品的結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌和光學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了研究，并討論了ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)對(duì)襯底溫度的依賴性。同時(shí)，比較了兩種生長(zhǎng)方法沉積的ZnO在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異。結(jié)果表明，在同步輻射(SR)的輔助下利用DEZn和CO2在室溫下就可以沉積沒(méi)有C元素的污染的ZnO薄膜，并且相同的生長(zhǎng)溫度下SR輔助生長(zhǎng)的ZnO薄膜具有較高的結(jié)晶質(zhì)量。SR輔助生長(zhǎng)的ZnO薄膜的

5、綠色發(fā)光峰較MOCVD ZnO更小，表明SR輔助有助于減少ZnO薄膜中的各種缺陷。 4.為了解釋SR在利用MOCVD沉積ZnO薄膜過(guò)程中起到的作用，我們初步探討了其沉積機(jī)制。MOCVD方法是吸附在沉積表面的DEZn和CO2發(fā)生熱力學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)產(chǎn)物熱裂解后生成ZnO薄膜，因此該方法具有更強(qiáng)的溫度依賴性。而在SR輔助下，DEZn和CO2先經(jīng)過(guò)同步輻射光的光電離光解離，產(chǎn)生的Zn原子、離子和含Zn的離子與O原子、離子在襯底表面發(fā)生反