Si基ZnO薄膜的慢正電子研究.pdf

1、ZnO是一種Ⅱ-Ⅳ族直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，在室溫下其禁帶寬度為3.36eV，激予束縛能為60meV，具有很好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。1996年香港和日本科學(xué)家在第23屆半導(dǎo)體激光器國(guó)際會(huì)議上首次報(bào)道ZnO微結(jié)構(gòu)的紫外受激發(fā)射。隨后，在1997年5月9日出版的Science雜志“Will UV Lasers Beat the Blues”為題，高度評(píng)價(jià)了氧化鋅在紫外激光器的應(yīng)用前景，從而在國(guó)際范圍內(nèi)掀起了研究氧化鋅的熱潮。另外，作為

2、第二代半導(dǎo)體材料，ZnO在高效率光散發(fā)設(shè)備和其他光學(xué)方面也有很好的應(yīng)用前景，但是材料中的點(diǎn)缺陷是影響其光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的重要因素，因此準(zhǔn)確鑒別和量化材料中的點(diǎn)缺陷就顯得尤為重要。 正電子湮沒(méi)譜學(xué)(Positron Annihilation Spectroscopy)，是一門(mén)把核物理和核技術(shù)應(yīng)用于固體物理和材料科學(xué)研究的新技術(shù)，還可應(yīng)用與化學(xué)和生物等學(xué)科。因其無(wú)損、靈敏度高等特點(diǎn)，而在材料微缺陷研究中得到了廣泛的應(yīng)用和越來(lái)越多的重視

3、。 本論文主要圍繞Si基ZnO異質(zhì)外延薄膜的性質(zhì)展開(kāi)研究，利用正電子湮沒(méi)技術(shù)，同時(shí)結(jié)合X射線衍射分析，拉曼散射譜以及光致發(fā)光譜等測(cè)試手段相輔相成，瓦為補(bǔ)充，其結(jié)果對(duì)于ZnO材料的生長(zhǎng)和應(yīng)用都具有綴好的指導(dǎo)作用。主要的研究工作和結(jié)果如下： 1.同質(zhì)緩沖層生長(zhǎng)ZnO/Si薄膜的研究 利用X射線衍射(XRD)，正電子湮沒(méi)譜學(xué)(PAs)和光致發(fā)光譜(PL)等方法研究了不同厚度同質(zhì)緩沖層生長(zhǎng)的ZnO/Si薄膜。通過(guò)改變直流

4、濺射時(shí)間，在Si襯底上濺射一層不同厚度的ZnO緩沖層，再利用LP-MOCVD生長(zhǎng)離質(zhì)量的ZnO薄膜。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有緩沖層的ZnO薄膜是取向性較差的多晶薄膜，而隨著緩沖層的引入，薄膜的取向性明顯變好。慢正電子觀測(cè)到溥膜內(nèi)正電子的捕獲缺陷主要是Zn空位(V<,Zn>)，并且在靠近薄膜和緩沖層的界面空位濃度變大。然而隨著緩沖層的厚度的增加，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量開(kāi)始下降，缺陷濃度開(kāi)始增加以及發(fā)光性質(zhì)開(kāi)始變差?？梢?jiàn)緩沖層的引入對(duì)薄膜質(zhì)量有顯著影響。

5、 另外，還比較了Si(100)襯底和Si(111)襯底生長(zhǎng)的同質(zhì)緩沖層薄膜，發(fā)現(xiàn)以Si(100)做襯底，正電子在薄膜內(nèi)觀察到的缺陷也是Zn空位(V<,Zn>)，隨著緩沖層厚度的增加，缺陷濃度以及光致發(fā)光的變化趨勢(shì)同Si(111)為襯底是完全一致的，但是以Si(100)為襯底的薄膜空位缺陷濃度更大，并且光致發(fā)光譜測(cè)量表明還產(chǎn)生了更多缺陷類型(No)，這些都說(shuō)明Si(100)上生長(zhǎng)的薄膜質(zhì)量不如以Si(111)為襯底生長(zhǎng)的薄膜。

6、 2.退火對(duì)N摻雜ZnO/Si薄膜的影響 利用X射線衍射(XRD)、正電子湮沒(méi)譜學(xué)(PAS)、拉曼散射光譜(RSS)和光致發(fā)光譜(PL)等方法研究了不同退火氣氛和退火溫度對(duì)N摻雜的ZnO/Si(111)薄膜的影響。利用等離子輔助生長(zhǎng)Si基ZnO異質(zhì)外延薄膜，通過(guò)優(yōu)化工藝、選擇合適的射頻功率等，可以得到結(jié)晶質(zhì)量較好的薄膜。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，600℃-800℃退火的ZnO薄膜都具有較好的c軸取向，且隨著退火溫度的升高薄膜的晶格質(zhì)量

7、也隨之變好，紫外發(fā)光強(qiáng)度有了明顯提升。正電子在600℃和700℃退火的薄膜內(nèi)觀察到的空位缺陷都是V<,Zn>，且隨著退火溫度升高空位濃度略有下降，但是800℃退火后的薄膜內(nèi)出現(xiàn)了較大的空位團(tuán)簇，可能是摻雜N原子與空位缺陷發(fā)生反應(yīng)，形成了新的穩(wěn)定的復(fù)合缺陷，且氮?dú)庵型嘶鸬谋∧ひ驗(yàn)椴糠諲原子被激活而取代了O的格位形成No而被局域，導(dǎo)致參與形成復(fù)合缺陷的N原了減少，新的復(fù)合缺陷濃度相比較空氣氣氛下退火的薄膜有所減小。另外，空氣中退火能抑制O原