退火條件及同質(zhì)緩沖層對生長ZnO薄膜特性的研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種II-VI族直接寬帶隙新型半導(dǎo)體,室溫禁帶寬度約為3.37eV,激子束縛能高達(dá)60meV。在大氣條件下,ZnO具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO無毒,原料廉價易得,且具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)等特性,在發(fā)光二極管、太陽能電池、光探測器、電致熒光器件、透明導(dǎo)電薄膜、表面聲波器等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
　　磁控濺射在沉積半導(dǎo)體薄膜方面具有大面積均勻沉積的優(yōu)點。通常,沉積制備的薄膜需要通過熱處理來提高其穩(wěn)定性并可能減少襯底的一

2、些不良影響。在提高晶體質(zhì)量與研究材料結(jié)構(gòu)缺陷方面,退火處理是一種廣泛使用的方法。這是因為在退火過程中,會減少薄膜的本征缺陷,有利于提高其穩(wěn)定性和提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量,這對半導(dǎo)體器件性能、光發(fā)射器件產(chǎn)生重大的影響。除此之外,由于襯底和薄膜之間巨大的晶格失配和熱膨脹系數(shù),直接在基片上生長ZnO會導(dǎo)致出現(xiàn)無定型多晶薄膜,所以在基片和薄膜之間引入緩沖層是一種不錯的方式。
　　本論文采用磁控濺射方法制備了ZnO薄膜,并研究了退火條件和同質(zhì)緩沖

3、層對ZnO薄膜結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性的影響,從而為ZnO薄膜的應(yīng)用提供一些實驗數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下:
　　1.在處理過(300℃真空退火)的同質(zhì)緩沖層上制備了不同退火溫度下的ZnO薄膜。研究了退火溫度對同質(zhì)緩沖層上ZnO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性。結(jié)果表明:在6min緩沖層上制備的ZnO薄膜有較好的結(jié)晶質(zhì)量,并且在適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟认卤∧さ慕Y(jié)晶質(zhì)量進(jìn)一步提高。薄膜在可見光范圍內(nèi)的平均透過率均超過90％,光學(xué)帶隙值隨退火溫度的增加由3

4、.221eV減小為3.184eV。在光致發(fā)光譜(PL)中觀測到了五個主要的發(fā)光峰位,分別是紫外光(384nm)、紫光(420nm)、藍(lán)光(455nm和473nm)和綠光(530nm)。并對發(fā)光機制進(jìn)行了詳細(xì)的討論,認(rèn)為紫外光是自由激子的復(fù)合形成的,紫光與晶界缺陷的輻射躍遷有關(guān),藍(lán)光與氧空位和間隙鋅缺陷有關(guān),綠光發(fā)射主要是電子從氧空位深施主能級向鋅空位淺受主能級上的輻射躍遷。退火溫度從400℃增加到600℃時,455nm處的藍(lán)光峰藍(lán)移至4

5、47nm處,發(fā)光強度隨退火溫度增加而增加。繼續(xù)升高退火溫度至700℃,530nm處的綠光峰強度降低,認(rèn)為和鋅空位的減少有關(guān)。
　　2.在Si基底上制備了有無ZnO緩沖層的Al摻雜ZnO(AZO)薄膜,其中ZnO緩沖層進(jìn)行了退火處理。研究了引入緩沖層與否對AZO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。結(jié)果表明引入ZnO緩沖層后薄膜c-軸擇優(yōu)取向加強,晶粒尺寸變大,殘余應(yīng)力減小,薄膜質(zhì)量變好,薄膜缺陷減少。薄膜在紫外區(qū)有較強的光吸收,在可見光

6、區(qū)的平均透過率都超過90%。對PL譜的分析可知,發(fā)光譜由極強的UV發(fā)光組成。增加ZnO緩沖層后AZO薄膜UV發(fā)光峰變窄,這是由于AZO薄膜其晶界界面缺陷減少,使得結(jié)晶質(zhì)量變好,從而導(dǎo)致UV發(fā)光得到改善。
　　3.在有緩沖層的襯底上制備了不同退火氣氛和溫度下Al摻雜ZnO(AZO)薄膜。使用X射線衍射儀(XRD)和光致發(fā)光(PL)等表征技術(shù),研究了ZnO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和發(fā)光特性。結(jié)果表明:在緩沖層上制備的AZO薄膜有較好的(002)