離子注入Si基片生長(zhǎng)ZnO納米團(tuán)簇及其對(duì)ZnO薄膜生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(duì)它們的生長(zhǎng)行為、表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)等開(kāi)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(guò)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(kāi)始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成Zn2SiO4。

4、2.離子注入對(duì)ZnO薄膜表面形貌和生長(zhǎng)行為的影響較大，注入后生長(zhǎng)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(zhǎng)ZnO的晶粒尺寸小于注入后生長(zhǎng)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(shuō)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(duì)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(guò)對(duì)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(duì)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(guò)程中的本征缺陷成核階段和轟擊缺陷成核階段的生長(zhǎng)指數(shù)分別為0.45±0.03和0.