基于ECR等離子體輔助脈沖激光沉積的氧化鋅薄膜制備與氮摻雜.pdf

1、本論文主要研究方向?yàn)槔眉す鉄g和微波放電聯(lián)合作用摸索一種制備氧化鋅薄膜材料的新方法,并在此基礎(chǔ)上研究氧化鋅的性質(zhì)和氮摻雜。這種方法結(jié)合了脈沖激光沉積法和電子回旋共振(electronCyclotronresonance)微波放電兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),形成了獨(dú)特的電子回旋共振等離子體輔助脈沖激光沉積(electroncyclotronresonanceplasmaassistedpulsedlaserdeposition,ECR-PLD)技術(shù)

2、?；谶@種技術(shù),我們成功制備了氧化鋅(ZnO)薄膜,并對(duì)所生長(zhǎng)的氧化鋅薄膜進(jìn)行了表征分析和性質(zhì)研究。此外,運(yùn)用這種技術(shù),也可以用于實(shí)現(xiàn)氧化鋅薄膜的氮摻雜,本文也介紹了對(duì)于ECR輔助脈沖激光沉積法進(jìn)行氮摻雜技術(shù)的嘗試。
　　 脈沖激光燒蝕(pulsedlaserablation,PLA)是在激光問世后不久人們研究強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種獨(dú)特的現(xiàn)象,人們利用這一現(xiàn)象發(fā)展了一種稱為脈沖激光沉積(pulsedlaserdepos

3、ition,PLD)的薄膜制備技術(shù),并嘗試用于薄膜的沉積。但是由于當(dāng)時(shí)條件和認(rèn)識(shí)的限制,這種方法的優(yōu)點(diǎn)并不明顯。然而,自從PLD成功地應(yīng)用于高溫超導(dǎo)薄膜的制備以來,這一技術(shù)受到了普遍的關(guān)注,通過這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多種薄膜材料的制備.電子回旋共振(electroncyclotronresonance)微波放電可以在低工作氣壓下產(chǎn)生密度高、電離度高的等離子體,將這兩種技術(shù)結(jié)合起來,就可以成為一種新的薄膜制備方法.其基本過程和特點(diǎn)為:對(duì)氣體進(jìn)行E

4、CR微波放電引發(fā)高活性的ECR等離子體,在ECR等離子體環(huán)境中用脈沖激光束燒蝕相應(yīng)的靶材引發(fā)PLA等離子體,在兩種等離子體的交迭區(qū)域ECR等離子體中的活性成分和被激光燒蝕出來的靶物質(zhì)發(fā)生氣相反應(yīng),低能等離子體束流同時(shí)轟擊襯底和膜層又能有效促進(jìn)成核和膜層形成,而該方法的非平衡特性還能突破某些平衡熱力學(xué)的限制。本文材料的制備的主要方法就是ECR等離子體輔助脈沖激光沉積,不但成功制備了氧化鋅(ZnO)薄膜,還實(shí)現(xiàn)了ZnO薄膜的氮摻雜。本文還就

5、ZnO薄膜的制備把用ECR等離子體輔助脈沖激光沉積方法和常規(guī)的脈沖激光沉積方法進(jìn)行了比較。
　　 ZnO材料是一種良好的直接帶隙、寬禁帶半導(dǎo)體材料。ZnO的直接寬帶隙以及其他優(yōu)良特性使得ZnO有可能成為制作新一代藍(lán)光甚至紫外光發(fā)發(fā)射器件的新型材料。然而,由于氧化鋅制備容易出現(xiàn)“富鋅”現(xiàn)象,通常制備所得的氧化鋅薄膜為n型半導(dǎo)體薄膜,限制了ZnO材料的應(yīng)用。根據(jù)之前的研究,制備氧化鋅薄膜的過程中容易產(chǎn)生雜質(zhì),影響其電學(xué)、光學(xué)特性。同

6、時(shí),現(xiàn)在使用的半導(dǎo)體集成一般在Si襯底上進(jìn)行,而目前常用的高溫條件下在Si表面制備ZnO的方法容易在稱底和膜層之間形成氧化硅中間層。因此在室溫下制備物理特性優(yōu)良的氧化鋅薄膜具有重要的實(shí)驗(yàn)意義。
　　 本文將介紹我們使用PLD進(jìn)行ZnO薄膜的探索以及研究結(jié)果。在研究中發(fā)現(xiàn),單純使用激光脈沖沉積法確實(shí)能夠制備氧化鋅薄膜,但是通過這樣的方法制備的氧化鋅薄膜物理特性較差,在沒有退火之前并沒有出現(xiàn)c軸方向生長(zhǎng)的特點(diǎn)。
　　 因此我

7、們對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了調(diào)整,并發(fā)現(xiàn)在使用ECR-PLD方法后,在室溫下生長(zhǎng)的ZnO薄膜特性得到了很大的改善,尤其在晶體結(jié)構(gòu)方面,在Si(100)襯底上形成了方向性良好的ZnO薄膜,并且具有良好的物理特性。
　　 氧化鋅薄膜的另一個(gè)重要研究領(lǐng)域就是元素?fù)诫s。經(jīng)過不同元素的摻雜,氧化鋅材料會(huì)顯示不同的特性,包括磁學(xué)特性和電學(xué)特性。而使用Ⅰ族、Ⅴ族元素進(jìn)行電學(xué)摻雜是形成p型氧化鋅薄膜重要的探索。通過使用ECR-PLD的方法,我們可以較為方

8、便的對(duì)氧化鋅進(jìn)行氮元素?fù)诫s。通過多種表征方法,證明通過這種方法所制備的氧化鋅薄膜確實(shí)實(shí)現(xiàn)了氮元素?fù)诫s,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)氮摻雜改進(jìn)了薄膜的性質(zhì)。
　　 有關(guān)ZnO的工作已取得了很大的進(jìn)展,包括材料薄膜、性質(zhì)研究等,然而ZnO材料距廣泛的實(shí)用階段仍有一定的距離,尚待解決的問題之一是p型znO材料的制備,目前的主要采用的手段是通過摻雜實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電類型的轉(zhuǎn)換。本文主要應(yīng)用ECR-PLD方法摸索了一種制備ZnO薄膜的新方法,常溫務(wù)件在Si(100)