PLD技術(shù)制備ZnO薄膜及其結(jié)構(gòu)和發(fā)光性質(zhì)研究.pdf

1、ZnO是一種纖鋅礦結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下的禁帶寬度約為3.37eV，具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)特性，在透明導(dǎo)電薄膜，表面聲波器件、氣體傳感器和光電器件等方面有著廣泛的應(yīng)用，尤其是高質(zhì)量ZnO薄膜的室溫紫外受激發(fā)射的實(shí)現(xiàn)，使其成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 本論文利用PLD技術(shù)在Si，SiC，Al<,2>O<,3>，襯底上制備了ZnO薄膜，并對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，利用一些常規(guī)測(cè)試方法和同步輻射實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究了不同生長(zhǎng)條件對(duì)PLD技術(shù)制備的ZnO薄

2、膜結(jié)構(gòu)，光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的影響。主要的研究工作及結(jié)果如下： 1．在Si襯底上ZnO薄膜的生長(zhǎng)及其結(jié)構(gòu)和發(fā)光性質(zhì)的研究利用PLD方法，在Si襯底上制備出了單一取向的ZnO薄膜，研究了襯底溫度，氧氣氛，激光能量和脈沖頻率等生長(zhǎng)條件對(duì)ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量的影響，分析了這些影響產(chǎn)生的原因，并利用優(yōu)化的生長(zhǎng)條件制備出了高質(zhì)量的ZnO薄膜，其(002)峰雙晶搖擺曲線的半高寬為1.3°利用同步輻射xAFS和xPS研究了兩個(gè)不同襯底溫度下(300

3、℃，500℃)生長(zhǎng)的ZnO薄膜的局域結(jié)構(gòu)以及薄膜表面元素的化學(xué)態(tài)和相對(duì)含量。研究結(jié)果表明，500℃生長(zhǎng)的薄膜的結(jié)晶質(zhì)量要好于300℃生長(zhǎng)的樣品，但500℃生長(zhǎng)的薄膜中的0/Zn比卻小于300℃生長(zhǎng)的薄膜。利用GID研究了薄膜內(nèi)部不同深度的品格馳豫過(guò)程，結(jié)果顯示隨著x射線探測(cè)深度從靠近薄膜表面增加到薄膜與襯底的界面處，兩個(gè)樣品a方向的晶格常數(shù)都減小，這說(shuō)明薄膜內(nèi)部的應(yīng)變是不均勻的。PL譜結(jié)果表明，znO薄膜的紫外發(fā)射與它的晶體質(zhì)量有著非常

4、密切的關(guān)系。在用同步輻射作激發(fā)源的低溫下的光致發(fā)光譜中，發(fā)現(xiàn)了發(fā)光中心位于430nm的紫光發(fā)射，我們認(rèn)為該發(fā)射與存在于ZnO-ZnO晶粒間界的界面勢(shì)阱所引起的界面缺陷能級(jí)到價(jià)帶的躍遷有關(guān)，這個(gè)界面勢(shì)阱可能起源于Zn填隙。 2．Mn摻雜對(duì)ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響利用PLD方法在Si(111)襯底上生長(zhǎng)出了Mn摻雜的c軸高度取向的ZnO薄膜。光致發(fā)光(PL)結(jié)果顯示了Mn的摻雜引起了薄膜的帶邊發(fā)射藍(lán)移，強(qiáng)度減弱，紫光發(fā)射幾乎消

5、失，但綠光發(fā)射增強(qiáng)。利用XRD，XAFS，XPS和Raman等實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)Mn摻雜的ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。XRD和XAFS結(jié)果表明Mn進(jìn)入了ZnO的晶格，處在Zn<'2+>的替代位置形成了Zn<,0.9>Mn<,0.1>O合金薄膜，XAFS和XPS結(jié)果從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了Mn是以+2價(jià)的價(jià)態(tài)存在的，這就導(dǎo)致了摻Mn以后的薄膜帶隙變大，在發(fā)光譜中表現(xiàn)為帶邊發(fā)射的藍(lán)移。Raman結(jié)果表明Mn的摻入對(duì)薄膜的晶格振動(dòng)產(chǎn)生了一定的影響，Zn<,0.

6、9>Mn<,0.1>O合金薄膜與襯底之間的應(yīng)力要比未摻雜的ZnO薄膜的大。由于摻入的Mn<'4+>與薄膜中的填隙zn反應(yīng)自身變?yōu)镸n<'2+>，導(dǎo)致薄膜的結(jié)晶性變差，薄膜中的填隙Zn減少，0空位增多，引起帶邊發(fā)射和紫光發(fā)射減弱，綠光發(fā)射增強(qiáng)。 3．在SiC或以SiC為緩沖層的si上生長(zhǎng)ZnO薄膜及ZnO/SiC界面研究采用以MBE方法在Si襯底上生長(zhǎng)的3C-SiC作為過(guò)渡層，利用PLD方法制備了高度c軸取向的ZnO薄膜，研究了襯

7、底溫度，氧分壓對(duì)ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量的影響，并分析了產(chǎn)生這些影響的原因。通過(guò)對(duì)PLD方法的工藝優(yōu)化，在6H-SiC單晶襯底上制備出了高質(zhì)量的ZnO薄膜，x射線雙晶搖擺曲線結(jié)果顯示其(002)衍射峰的半高寬僅為0.47°同步輻射掠入射X射線衍射結(jié)果表明該ZnO薄膜和襯底之間的平行于襯底表面a軸方向的實(shí)際的晶格失配度僅為5.84％，并且利用X射線φ掃描技術(shù)觀察到了該Zn0薄膜(110)等效晶面的六重對(duì)稱性。由此說(shuō)明，我們已成功地在6H-Si

8、C單晶襯底上制備出單晶znO薄膜。此外，我們還以Si襯底上原位生長(zhǎng)的SiC和石墨作為過(guò)渡層，利用PLD方法制備ZnO薄膜。通過(guò)其電學(xué)特性的研究表明，SiC和石墨過(guò)渡層的使用，可以極大的提高ZnO和Si襯底組成的p-n結(jié)的I-V特性。 利用SRPES和XPS的價(jià)帶譜和芯能級(jí)譜技術(shù)，研究了金屬Zn在SiC表面的吸附和熱氧化過(guò)程以及ZnO/SiC異質(zhì)界面的形成和結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，在SiC：表面沉積金屬zn的初始階段，zn可以與SiC

9、襯底表面殘留的氧結(jié)合。隨著zn覆蓋度的增加，表面具有金屬特性。在氧氣氛中，氧可能會(huì)以分子的形式吸附在Zn表面，但也可能與Zn成鍵或化合。在氧氣氛中180℃：的溫度退火后，一部分Zn被氧化形成ZnO，還有少量Zn因受到熱蒸發(fā)而逸出表面。在氧氣氛中600℃溫度退火后，形成的ZnO會(huì)阻止金屬zn逸出表面，覆蓋的金屬Zn全部被氧化而生成ZnO。而在氧氣氛中退火時(shí)，襯底也會(huì)發(fā)生輕度氧化，從而導(dǎo)致在ZnO/SiC界面處存在一層很薄的Si的氧化層。根

10、據(jù)得到的光電子能譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出用Zn熱氧化方法形成的Zro/SiC異質(zhì)結(jié)的價(jià)帶偏移為1.1eV。 4．在Al<,2>O<,3>上生長(zhǎng)ZnO薄膜及其界面結(jié)構(gòu)的研究在Al<,2>O<,3>襯底上，利用PLD方法在不同的襯底溫度和不同的氧分壓下生長(zhǎng)了高度c軸取向的ZnO薄膜。XRD和RHEED結(jié)果顯示了襯底溫度和氧分壓對(duì)ZnO薄膜的生長(zhǎng)模式和結(jié)晶質(zhì)量有很大的影響。x射線雙晶搖擺曲線結(jié)果顯示利用PLD方法以Al<,2>O<,3>

11、為襯底，在優(yōu)化的條件下制備的ZnO薄膜的(002)衍射峰的半高寬僅為0.46°，已經(jīng)達(dá)到了單晶水平。同步輻射掠入射X射線衍射結(jié)果顯示，隨著X射線穿透深度從薄膜表面增大到薄膜和襯底的界面處，450℃和650℃生長(zhǎng)的Zn0薄膜的a方向的晶格常數(shù)明顯增加，而750℃的Zn0薄膜的a方向的品格常數(shù)卻略微減小，這說(shuō)明襯底溫度對(duì)ZnO薄膜內(nèi)部不同深度的晶格馳豫有很大的影響。同步輻射掠入射x射線反射結(jié)果顯示650℃，0.13Pa條件下生長(zhǎng)的ZnO薄膜