ZnO薄膜的制備及其摻雜研究.pdf

1、近年來(lái)，藍(lán)綠光發(fā)光管、激光器及其相關(guān)器件以其潛在的巨大市場(chǎng)應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)。ZnO為直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV，且束縛激子能高達(dá)60meV，比室溫?zé)犭x化能26meV大很多，與其它幾種寬禁帶發(fā)光材料如GaN(25meV)相比，ZnO是一種合適的用于室溫或更高溫度下的紫外光發(fā)射材料，可制備出紫外波段的探測(cè)器、L,ED和LD等光電子器件，同時(shí)ZnO材料也廣泛應(yīng)用于壓電傳感器、聲表面濾波器等領(lǐng)域。 常用的

2、薄膜技術(shù)如磁控濺射、PLD、MOCVD、MBE等能在較低的生長(zhǎng)溫度下制備出較好晶體質(zhì)量的ZnO薄膜。磁控濺射技術(shù)由于其操作簡(jiǎn)便，反應(yīng)條件可控性等優(yōu)勢(shì)，是一種常用的ZnO薄膜制備技術(shù)。本研究采用射頻磁控濺射法在石英襯底上制備了具有C-軸擇優(yōu)取向的氧化鋅薄膜。通過(guò)控制工藝參數(shù)在石英基片上制備純znO薄膜，在O<,2>-N<,2>-Ar和O<,2>-NH<,3>-Ar氣氛中濺射Zn靶實(shí)現(xiàn)了ZnO薄膜的N摻雜；利用雙靶共濺的方法分別制備了Al摻

3、雜、N+Al共摻雜和N+Fe共摻雜ZnO薄膜。同時(shí)，我們探討了常壓CVD法制備的ZnO薄膜和納米管的相關(guān)性質(zhì)。用各種檢測(cè)技術(shù)對(duì)薄膜的晶體特性及表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。 原子力顯微鏡(AFM)分析了各ZnO薄膜樣品的晶體狀態(tài)，我們發(fā)現(xiàn)，退火處理及提高襯底溫度能夠顯著提高薄膜的結(jié)構(gòu)狀態(tài)；鍍膜時(shí)間增加、氧分壓的降低以及功率的增強(qiáng)有利于晶粒的長(zhǎng)大；直流濺射晶粒具有更好的C軸柱狀取向；N源分壓在一定范圍內(nèi)可得到較高質(zhì)量的Zn0薄膜；N+A1共摻

4、雜樣品比Al摻雜樣品具有較好的表面平整度。ZnO薄膜的X射線衍射圖顯示2θ為34．42<'。>處的高強(qiáng)度衍射峰來(lái)源于(0002)ZnO，衍射峰的半高寬(FWHM)為0.52<'。>，在圖中并沒(méi)有觀察到ZnO晶體的其它晶向的衍射峰，而只觀察到C方向的衍射峰，這表明zn0薄膜沿C方向擇優(yōu)生長(zhǎng)且具有較好的晶體質(zhì)量。同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，退火處理有利于薄膜晶粒的C軸方向擇優(yōu)取向并提高晶體質(zhì)量。研究了這些薄膜的紫外一可見(jiàn)吸收光譜、激發(fā)光譜、光致發(fā)光譜和拉

5、曼光譜特征，利用橢圓偏振法測(cè)試了其折射率。純ZnO薄膜和摻雜樣品分別在360nm和363nm出現(xiàn)明顯的吸收峰，而摻雜樣品的吸收邊明顯向短波方向移動(dòng)，直流濺射比射頻濺射樣品具有更好的紫外吸收，作為N源的不同氣體比率的變化對(duì)透過(guò)率的影響不同，Al摻雜和N+Al共摻樣品的吸收邊向短波方向移動(dòng)顯著。我們將吸收峰歸結(jié)為束縛激子的吸收，而吸收邊移動(dòng)則是由摻雜元素的施主和/或受主性質(zhì)使導(dǎo)帶底部和/或價(jià)帶頂部的能級(jí)分別被電子和空穴占據(jù)所引起的。光致發(fā)光

6、譜圖中觀察到相對(duì)較強(qiáng)的熒光發(fā)射，且N摻雜樣品比未摻雜樣品呈現(xiàn)了較強(qiáng)的熒光發(fā)射，摻雜樣品的發(fā)射峰出現(xiàn)了一定程度的紅移。在360nm波長(zhǎng)激發(fā)下，摻雜樣品在420和440nm附近的光發(fā)射比未摻雜樣品有明顯增強(qiáng)。在220nm波長(zhǎng)激發(fā)下，最大發(fā)射峰出現(xiàn)在398和418nm，同時(shí)在520、560和600nm附近出現(xiàn)新的發(fā)射帶。這三個(gè)發(fā)射帶可能是被激發(fā)到更高激發(fā)態(tài)上的電子到0空位能級(jí)、束縛激子能級(jí)和導(dǎo)帶底部時(shí)的發(fā)光，其它發(fā)光峰可以歸結(jié)為自由激子、束縛

7、激子和氧空位能級(jí)到Zn填隙能級(jí)的發(fā)光。室溫下不同方法制備的薄膜與標(biāo)準(zhǔn)粉末具有相似的拉曼光譜特征，但薄膜的拉曼譜峰總體較弱。 優(yōu)化工藝條件后，利用共濺方法制備了具有良好光學(xué)性質(zhì)和C軸取向的N+Fe共摻雜ZnO薄膜。N+Fe共摻ZnO薄膜的XRD表明只有znO的衍射峰，這說(shuō)明樣品沒(méi)有第二相存在，摻雜的Fe<'2+>離子完全取代了部分Zn<'2+>離子的位置，摻雜薄膜具有較好的C軸取向性，而且退火處理后，衍射峰明顯增強(qiáng)。N+Fe共摻樣

8、品的拉曼譜峰形與典型的拉曼譜峰形相似，退火處理后，E2聲子模式(437cm<'-1>)的特征拉曼峰有所增強(qiáng)，說(shuō)明晶體質(zhì)量有所改善。透射光譜顯示了位于363nm左右的吸收峰，隨著Fe靶功率的增加，透過(guò)率有下降的趨勢(shì)，但吸收峰沒(méi)有變化。 摻N可生長(zhǎng)出高阻的ZnO薄膜，電阻率提高到了10<'5>Ω·cm。折射率的定性測(cè)定表明，摻雜后樣品的折射率都有明顯變化，對(duì)于摻N樣品折射率的變化較明顯，且不同N源對(duì)折射率的貢獻(xiàn)有所不同，摻Al樣品的