ZnO薄膜的表面形貌與應(yīng)力特性研究.pdf

1、ZnO是寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，禁帶寬度達3.37eV，ZnO的激子束縛能為60MeV，高于GaN材料的21MeV，更易于實現(xiàn)室溫紫外受激發(fā)射。而且，ZnO易于找到晶格匹配的襯底材料，外延生長溫度低，成膜性強，熱穩(wěn)定和化學穩(wěn)定性好，因此，ZnO材料的研究是近年來光電子材料領(lǐng)域的重要課題。盡管存在p型ZnO制備的困難，但是，ZnO材料及相關(guān)器件的研究仍然備受關(guān)注。目前，ZnO材料的研究主要集中在，氧化鋅晶體、薄膜生長與器件制備，氧化鋅的

2、摻雜和雜質(zhì)缺陷研究，磁性氧化鋅材料及其自旋電子學，氧化鋅納米(低維)結(jié)構(gòu)等方向。薄膜的制備條件決定了薄膜的性能，制備條件包括沉積方法、襯底、生長溫度、生長氣氛以及生長緩沖層等等。
　　薄膜表面生長形貌以及薄膜應(yīng)力與具體的薄膜生長過程存在了必然的聯(lián)系，直接影響薄膜的化學組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)等，進而影響著薄膜的物理特性和最終的器件性能。隨機表面的粗糙形貌是決定物體物理特性的重要因素之一。要研究薄膜的表面形貌，首先要對薄膜表面進行定

3、量表征和描述。材料的表面形貌演化是與表面動力演化機制相關(guān)的，研究材料表面形貌的演變可以外推表面動力演化機制。無論實際的生長過程多么復(fù)雜，表面形貌的演變，通常存在著簡單的動力學標度行為，通過對薄膜形貌演化的標度行為的研究，可大大減少界面形貌描述的自由度，能夠把生長界面的形貌和對應(yīng)的生長模型聯(lián)系起來，對生長機制有更深入的理解。應(yīng)力是與薄膜性能密切相關(guān)的重要參數(shù)，磁控濺射或激光沉積制備的ZnO薄膜中存在著較大的晶格畸變和殘余張應(yīng)力影響了ZnO

4、薄膜的結(jié)構(gòu)、性能以及穩(wěn)定性，ZnO薄膜生長參數(shù)是決定其應(yīng)力的關(guān)鍵因素。
　　在這樣的背景下，本論文開展ZnO薄膜的形貌和應(yīng)力這一課題進行研究。
　　本論文分為三部分。第一部分采用脈沖激光沉積制備Ga摻雜的ZnO薄膜，研究薄膜表面形貌隨時間的演化特點。第二部分采用磁控濺射制備ZnO薄膜，研究柔性襯底上ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力特性。第三部分采用激光分子束外延制備Co摻雜ZnO薄膜，研究薄膜的結(jié)構(gòu)、應(yīng)力以及表面形貌。
　　第一

5、部分的主要研究工作及結(jié)果如下:
　　使用激光脈沖沉積法在石英襯底上制備了ZnO:Ga透明導(dǎo)電薄膜，由于薄膜的生長是遠離平衡態(tài)的生長，該GZO薄膜具備自仿射分形特征，可以用高度-高度相關(guān)函數(shù)進行描述。利用原子力顯微鏡可以獲得表面圖像的高度數(shù)據(jù)，通過對表面的高度數(shù)據(jù)進行數(shù)值相關(guān)運算，定量的分析了PLD工藝條件下不同生長時間制備的GZO薄膜的生長界面特征，求出了描述粗糙表面的高度-高度相關(guān)函數(shù)的三個重要參量w，ξ和α。發(fā)現(xiàn)所制備的GZO

6、薄膜表面演化分成兩個階段，在比較早期的生長階段(t<8分鐘)，薄膜表面形貌受到表面隨機起伏、沉積原子平滑效應(yīng)以及襯底性能的影響等，方均根粗糙度)(tw和橫向相關(guān)長度)(t?隨時間增加而減小。而在后期的生長階段(t>8分鐘)，)(tw和)(t?隨時間增加而增加，表面形貌演化出現(xiàn)自仿射分形特征。通過對)(tw-t曲線擬合，獲得生長指數(shù)?為0.3，所有時間生長的GZO薄膜的表面粗糙度指數(shù)?在0.84左右，符合Kuromoto-Sivashin

7、sky生長模型。
　　我們還研究了薄膜的電阻率和透過率與薄膜表面粗糙度和厚度的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)，在早期的生長階段(t<8分鐘)，薄膜的電阻率主要受薄膜厚度變化的影響，但是，在后期的生長中，薄膜表面形貌對薄膜電阻率的影響比較明顯。而且，薄膜的透過率也受到薄膜表面形貌的影響。我們認為，在我們的制備條件下，獲得的比較理想的薄膜是生長時間為10分鐘的薄膜，膜厚200nm，電阻率為4.85×10-4Ω·cm，平均透過率為85％。
　　第二部

8、分的主要研究工作及結(jié)果如下:
　　1.在不同的襯底溫度下，用射頻磁控濺射技術(shù)在柔性聚四氟乙烯襯底上生長了ZnO薄膜，研究了襯底溫度對薄膜中應(yīng)力以及光致發(fā)光光譜(PL)的影響。X射線衍射研究發(fā)現(xiàn)，薄膜晶體的質(zhì)量隨著襯底溫度的提高而增加。在200oC相對較高的溫度下，具有較好的C軸擇優(yōu)取向，薄膜中應(yīng)力和缺陷都比較少，生長的薄膜的質(zhì)量比較高，導(dǎo)致 PL譜的優(yōu)化。
　　2. Ar氣壓強對于ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和PL光譜都有一定的影響

9、，所有的樣品都是(002)擇優(yōu)生長的多晶薄膜結(jié)構(gòu)。在Ar壓強為4Pa時，薄膜中具有較好的C軸取向性，晶粒尺寸最大。隨壓強增加，ZnO薄膜中的應(yīng)力經(jīng)歷了由小變大再變小的變化。當 Ar壓強到達4Pa時，PL譜中IUV/Ivisible比值最大，這也是在4Pa時薄膜質(zhì)量有所提高的依據(jù)。盡管在0.5Pa和1.5Pa時制備的薄膜中應(yīng)力很小，但是C軸擇優(yōu)取向比較差，薄膜晶體結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較低，薄膜中存在的缺陷密度比較大。
　　3.同質(zhì)緩沖層的引入

10、，對于在聚四氟乙烯襯底上制備的ZnO薄膜質(zhì)量有較大的改善。生長緩沖層以后，晶粒尺寸有了比較大的增加，而經(jīng)過退火的緩沖層上生長的ZnO薄膜的晶粒尺寸進一步增大。應(yīng)力計算數(shù)據(jù)表明，在不加熱的情況下引入緩沖層可以減少應(yīng)力，但是經(jīng)過退火后的緩沖層上生長的ZnO薄膜中存在較大的應(yīng)力，與不采用緩沖層時的應(yīng)力差不多。緩沖層退火后生長的ZnO薄膜的光學特性比較好。在沒有緩沖層的襯底上制備的薄膜的光學特性比較差。
　　4.研究了不同濺射時間、不同濺

11、射功率情況下，聚四氟乙烯襯底上制備的ZnO薄膜中的應(yīng)力。我們發(fā)現(xiàn)，射頻濺射功率的增大，對于減少薄膜中的應(yīng)力是可能的。薄膜中的應(yīng)力是和晶粒的大小有關(guān)的。盡管在80W較低的生長功率，生長時間為2小時的薄膜中得到具有較好C軸取向的薄膜，但是在這樣的薄膜中應(yīng)力也是最強的。綜合考慮薄膜的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力因素，我們認為，生長功率為200W，生長時間為1小時的薄膜比較理想。在我們制備的薄膜中，當薄膜的結(jié)構(gòu)弛豫滯后于生長速度時，較大的晶粒尺寸會導(dǎo)致壓應(yīng)力的減

12、少以及壓應(yīng)力向拉應(yīng)力的轉(zhuǎn)化。
　　第三部分的主要研究工作及結(jié)果如下:
　　1.藍寶石襯底上制備了ZnO：Co薄膜，隨著生長溫度從300oC變化到500oC，薄膜(002)衍射峰的半高寬FWHM經(jīng)歷了先增加然后減小到最小值，然后又增加的過程，晶粒尺寸也經(jīng)歷了先減小后增加到最大值然后又減小的過程，在400oC時顆粒尺寸最大。LMBE方法生長的ZnO:Co薄膜大部分情況下表現(xiàn)為拉應(yīng)力，只是在生長溫度為350oC時，出現(xiàn)了非常小的壓

13、應(yīng)力。藍寶石襯底上制備的ZnO:Co薄膜表面粗糙度指數(shù)α隨著生長溫度增加先是有所增加，然后又降低。方均根粗糙度w在溫度從300oC升高到400oC時，逐漸增大，溫度增加到450oC，粗糙度有所減小，到500oC時，w值又有所增加。隨著溫度升高，從300oC升高到450oC的過程中，薄膜表面的橫向相關(guān)長度持續(xù)減小，說明顆粒減小，在500oC時，ξ又略有增加。
　　2.玻璃襯底上制備的ZnO:Co薄膜(002)衍射峰的半高寬 FWHM

14、經(jīng)歷了先增加然后減小，然后又增加的過程。玻璃襯底上500oC時薄膜半高寬減小到最小值。在襯底溫度比較低(<350 oC)時，薄膜中的壓應(yīng)力較大。當溫度升高到400 oC，薄膜中存在的壓應(yīng)力迅速降低，說明隨著溫度的升高，薄膜中的力學特性有很大的改善。薄膜的表面粗糙度指數(shù)α隨著溫度變化，變化不是很明顯，但是，方均根粗糙度 w漸漸增加，玻璃襯底上制備的薄膜的橫向相關(guān)長度ξ，隨著溫度的升高，逐漸增加，在400oC以后，基本不再發(fā)生變化。

15、　　3.硅襯底上制備的ZnO:Co薄膜的(002)衍射峰的半高寬 FWHM經(jīng)歷了先增加然后減小到最小值，然后又增加的過程.400oC時具有沿 C軸單一取向的純的六角結(jié)構(gòu)。硅襯底上制備的ZnO:Co薄膜在生長溫度高于400 oC以上時，薄膜中的應(yīng)力比低溫下要改善許多。硅襯底上生長的薄膜的表面粗糙度指數(shù)α隨著溫度變化，變化比較明顯，方均根粗糙度 w隨著溫度升高逐漸增大，當溫度繼續(xù)升高到500oC時，方均根粗糙度有所降低，硅襯底上制備的薄膜的