脈沖激光沉積制備ZnO薄膜及其光電性質(zhì)研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種重要的寬帶隙(室溫下3.3 eV)Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料,它的激子束縛能高達(dá)60 meV,遠(yuǎn)大于GaN的25 meV和ZnSe的22 haeV.ZnO具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)a=0.3249nm,c=0.5206 nm.ZnO薄膜具有良好的透明導(dǎo)電性、壓電性、光電性、氣敏性、壓敏性、且易于與多種半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)集成化.這些優(yōu)異的性質(zhì),使其具有了廣泛的用途,如表面聲波器件、平面光波導(dǎo),透明電極,紫外光探測(cè)器、壓電

2、器件、壓敏器件、紫外發(fā)光器件、氣敏傳感器等.在短波區(qū)域,ZnO可用于制造紫外發(fā)光器件和紫外激光器,對(duì)于提高光記錄密度及光信息的存取速度起著非常重要的作用.目前,有關(guān)氧化鋅的光學(xué)特性研究部分集中在氧化鋅的紫外激光發(fā)射和可見發(fā)光機(jī)制方面.紫外發(fā)射被公認(rèn)為是激子的復(fù)合發(fā)光,而可見發(fā)射的機(jī)制仍在爭(zhēng)論當(dāng)中,一般認(rèn)為是有缺陷能級(jí)產(chǎn)生的躍遷發(fā)射.它包括:O空位,Zn空位,O填隙,Zn填隙和反氧位等. 制備ZnO薄膜的主要方法有:磁控濺射、金屬

3、有機(jī)化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、分子束外延、電子束蒸發(fā)沉積、噴霧熱分解、溶膠.凝膠法、薄膜氧化法等.在這些方法中,脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的先進(jìn)的薄膜生長(zhǎng)技術(shù).用PLD方法制備ZnO薄膜的優(yōu)點(diǎn)是:生長(zhǎng)條件易于控制,生長(zhǎng)溫度底,成膜質(zhì)量高等.我們采用脈沖激光沉積方法制備出c軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜.討論了薄膜的擇優(yōu)定向生長(zhǎng)過程、特點(diǎn)及影響因素.在最佳條件下可以得到均勻、致密、有良好的c軸取向性、可見光波段透明性好、有較好的

4、發(fā)光特性等優(yōu)點(diǎn)的薄膜.本論文的主要研究?jī)?nèi)容和得到的結(jié)論如下: 1.通過PLD方法在Si(111),石英,藍(lán)寶石襯底上成功的制備了C軸取向的ZnO薄膜,分析得出藍(lán)寶石襯底是較好的生長(zhǎng)襯底材料. 2.通過XRD,SEM,AFM及光致發(fā)光譜分析了襯底溫度對(duì)薄膜生長(zhǎng)品質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)400-500℃在各種襯底上能制備結(jié)晶較好、表面晶粒均勻、紫外發(fā)射較強(qiáng)的ZnO單晶薄膜. 3.在生長(zhǎng)氛圍氧壓0.13 Pa,襯底溫度400℃,

5、在不同的激光能量下制備ZnO薄膜.發(fā)現(xiàn)在約200 mJ的激光能量下能得到品質(zhì)較好的薄膜. 4.在不同的氧氛圍壓力(O.1-60 mTorr)制備薄膜時(shí),發(fā)現(xiàn)薄膜的晶化和發(fā)光的最優(yōu)點(diǎn)并沒有出現(xiàn)在一個(gè)氧壓點(diǎn)上.分析發(fā)現(xiàn)XRD與PL譜對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的敏感程度是不同的.影響PL譜的主要因素是晶體的點(diǎn)缺陷,如氧空位和鋅填隙.而XRD對(duì)晶格缺陷如位錯(cuò)、晶粒邊界和晶粒取向等更敏感一些. 5.對(duì)制備的薄膜在氮?dú)?氧氣和真空中進(jìn)行了退火處理.

6、對(duì)比分析了不同的退火氛圍對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和光致發(fā)光的影響.發(fā)現(xiàn)退火能提高薄膜的結(jié)晶和紫外發(fā)射,但在不同的氛圍中退火,薄膜擁有的缺陷類型也不同.其中在氧氣中退火有最好的結(jié)晶,最小的表面和點(diǎn)缺陷. 6.通過對(duì)不同的條件制備的薄膜的光致發(fā)光譜分析發(fā)現(xiàn):位于460 nm藍(lán)光發(fā)射起源于電子從施主缺陷能級(jí)Zn填隙到Zn空位產(chǎn)生的受主能級(jí)之間的躍遷. 7.用粉末ZnO靶同陶瓷ZnO靶對(duì)比生長(zhǎng)ZnO薄膜,發(fā)現(xiàn)在同樣條件下,用陶瓷靶成膜的最佳溫