ZnO及其摻雜薄膜結(jié)構(gòu)與性質(zhì)研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種新型直接寬帶隙半導(dǎo)體材料,室溫下禁帶寬度為3.37 eV,激子束縛能為60 meV,有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì),在平板顯示器、太陽能電池、紫外探測器和透明導(dǎo)電薄膜等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。盡管人們已對ZnO薄膜進行了研究,并取得了一些有價值的研究成果,但目前ZnO薄膜的質(zhì)量沒有達到實用化要求,因此制備高質(zhì)量的ZnO薄膜是目前研究的一個重要方向。脈沖激光沉積(PLD)法是一種有效的方法。ZnO優(yōu)異的光電性能被廣泛研究的同時

2、,在ZnO基質(zhì)中摻入外來的離子從而改變ZnO結(jié)構(gòu)性能更是拓寬了ZnO潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。作為一種重要的紅光發(fā)光中心,稀土Eu3+近年來被廣泛關(guān)注。稀土Eu3+摻雜ZnO的研究引起了人們的興趣,但基于PLD法制備的稀土Eu3+摻雜ZnO研究很少。ZnO基器件大多選用Au、Ag、Pt及ITO等比較昂貴的電極,考慮到銅良好的導(dǎo)電性、較強的抗電遷移性能和較低的成本,嘗試用銅作電極得到了MSM結(jié)構(gòu)的Cu/ZnO接觸。本文研究的主要內(nèi)容包括以下幾個方面

3、:
　　1.利用PLD技術(shù)在Si(111)襯底上生長了ZnO薄膜,通過XRD測試和光致發(fā)光(PL)譜分析研究了襯底溫度、氧流量和緩沖層對樣品的結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能的影響。XRD研究結(jié)果表明,所有樣品僅出現(xiàn)ZnO(002)衍射峰,說明樣品具有很好的c軸擇優(yōu)取向。隨著襯底溫度的升高,衍射峰半高寬(FWHM)先減小后增加,當襯底溫度為300℃時,FWHM最小,結(jié)晶質(zhì)量最好。當氧流量較小時,結(jié)晶質(zhì)量較差。隨著氧流量的增加,衍射峰強度增大,FWH

4、M減小;氧流量為10 sccm時,衍射峰最強,FWHM最小;當氧流量繼續(xù)增加,半高寬增大,結(jié)晶質(zhì)量變差。隨著緩沖層厚度的增加,外延層的結(jié)晶質(zhì)量逐步提高,當脈沖個數(shù)為1000時,FWHM最小。但是當緩沖層厚度繼續(xù)增加時,ZnO外延層結(jié)晶質(zhì)量變差。PL譜研究表明,當用350 nm的光激發(fā)樣品時,樣品呈現(xiàn)三個發(fā)光帶,分別是位于380 nm左右的紫外發(fā)射、440-480 nm范圍的藍光發(fā)射和位于600 nm左右的橙黃發(fā)射。PL譜測試結(jié)果表明,制

5、備條件對樣品發(fā)光強度影響較大。隨著襯底溫度從室溫增加到300℃,樣品的發(fā)光強度逐漸增加,但當溫度升高到400℃時,發(fā)光強度又降低。發(fā)光強度隨氧流量的變化規(guī)律與隨襯底溫度的變化規(guī)律相似,當氧流量為10 sccm時樣品發(fā)光最強。研究還發(fā)現(xiàn),有緩沖層時樣品的發(fā)光明顯增強,當緩沖層脈沖個數(shù)為1000時樣品發(fā)光增強,和真空中生長的樣品相比,外延層在有氧氣氛中制備的樣品發(fā)光較強。通過CIE標準色度學(xué)對樣品的色度表征結(jié)果表明,所有樣品均呈現(xiàn)白光發(fā)射,

6、在白光LED熒光粉方面有潛在的應(yīng)用前景。
　　2.利用PLD技術(shù)在Si(111)襯底上制備了ZnO:Eu3+,Li+薄膜,分別研究了生長氧壓、退火氣氛和退火溫度對樣品結(jié)構(gòu)和發(fā)光性質(zhì)的影響。
　　XRD譜研究表明,所有樣品均僅出現(xiàn) ZnO基質(zhì)的(002)衍射峰,說明 Eu3+已進入 ZnO基質(zhì)晶格,沒有單獨形成結(jié)晶氧化物。隨著氧壓的增加, FWHM先減小后增加,氧壓為0.3 Pa時達到最小。隨著氧壓的增大,晶面間距逐漸減小,但

7、由于Eu3+進入了ZnO晶格,薄膜晶面間距均大于ZnO材料的標準值。和真空中退火的樣品相比,氧氣氣氛中退火的樣品的FWHM較小,薄膜結(jié)晶質(zhì)量較好。在真空中退火時,當退火溫度為550℃時樣品衍射峰強度最大,FWHM最小,結(jié)晶質(zhì)量最好。
　　PL譜研究表明:(1)對于不同氧壓下生長的樣品,當用325 nm的光激發(fā)時,所有樣品的發(fā)光主要由ZnO基質(zhì)的紫外發(fā)射和綠光發(fā)射組成,并沒有出現(xiàn)稀土Eu3+的特征發(fā)射峰。隨著氧壓的變化,峰位變化較小

8、,發(fā)光強度變化較大。當用395 nm的光激發(fā)樣品時,在613 nm處出現(xiàn)明顯的Eu3+電偶極(5D0→7F2)躍遷發(fā)光峰,隨著氧壓的增加,Eu3+的特征發(fā)光峰明顯增強。(2)對于退火的樣品,用395 nm的光激發(fā)樣品時,光譜中沒有出現(xiàn)Eu3+位于613 nm的特征發(fā)光峰,這表明退火處理不利于Eu3+的電偶極(5D0→7F2)躍遷,而且隨著退火溫度的增加并沒有改變這一現(xiàn)象。本研究為實現(xiàn)基于Eu3+、Li+共摻雜的ZnO材料的應(yīng)用進行了有意

9、義的探索。
　　3.利用PLD法在Si(111)襯底上分別生長了ZnO薄膜和Cu薄膜,用Cu薄膜作電極,研究了ZnO薄膜與Cu薄膜的接觸特性。分別用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡(SEM)和I-V測試的方法對樣品的晶體質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)進行了分析。結(jié)果表明,樣品中ZnO薄膜和Cu薄膜均具有高度的擇優(yōu)取向;退火前Cu薄膜表面不均勻,晶粒不明顯,結(jié)晶質(zhì)量較差;退火后,有明顯的晶粒出現(xiàn),晶粒均勻致密,Cu薄膜結(jié)晶質(zhì)量得到明顯改善。當Cu