退火條件及同質(zhì)緩沖層對(duì)生長(zhǎng)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(wú)毒,原料廉價(jià)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(yáng)能電池、光探測(cè)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(diǎn)。通常,沉積制備的薄膜需要通過(guò)熱處理來(lái)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?yàn)樵谕嘶疬^(guò)程中,會(huì)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(duì)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(zhǎng)ZnO會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)無(wú)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(cuò)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(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。主要研究結(jié)果如下:
　　1.在處理過(guò)(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(duì)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(jiàn)光范圍內(nèi)的平均透過(guò)率均超過(guò)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(cè)到了五個(gè)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(duì)發(fā)光機(jī)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(jí)向鋅空位淺受主能級(jí)上的輻射躍遷。退火溫度從400℃增加到600℃時(shí),455nm處的藍(lán)光峰藍(lán)移至4

5、47nm處,發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)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(wú)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(duì)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(qiáng),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(qiáng)的光吸收,在可見(jiàn)光

6、區(qū)的平均透過(guò)率都超過(guò)90%。對(duì)PL譜的分析可知,發(fā)光譜由極強(qiáng)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)