射頻磁控濺射法制備ZnO薄膜及其性能研究.pdf

1、直接寬禁帶半導(dǎo)體材料ZnO是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，其薄膜材料在光電、壓電、氣敏傳感器、集成光學(xué)、透明導(dǎo)電薄膜等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用。本文采用RF磁控濺射法在玻璃和Si(111)襯底上制備ZnO薄膜，并對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、電學(xué)性能、光電性能等進(jìn)行了表征。 在玻璃襯底上采用低磁控濺射功率(LP)沉積ZnO同質(zhì)緩沖層，熱處理后再在其上制備ZnO薄膜，系統(tǒng)地研究了LP緩沖層制備功率、緩沖層厚度、熱處理?xiàng)l件等對(duì)其上沉積的ZnO薄膜性能的

2、影響。實(shí)驗(yàn)表明，引入同質(zhì)LP緩沖層后，可在較寬的RF功率范圍內(nèi)(30-500W)制備出(002)定向指數(shù)達(dá)0.97以上的ZnO薄膜，所有薄膜的電阻率均大于10<'8>Ω·cm；隨LP緩沖層厚度提高，ZnO薄膜的(002)定向性趨好，其結(jié)晶質(zhì)量、晶粒均勻性、表面平整度等都得到改善，電阻率變化不大，并且薄膜具有較高的帶邊發(fā)射(NBE)強(qiáng)度，缺陷能級(jí)發(fā)光峰(PL)減弱；緩沖層濺射功率的提高不利于其上生長(zhǎng)的ZnO薄膜(002)的定向；適當(dāng)?shù)臒崽?/p>

3、理能提高ZnO薄膜的C軸取向性和結(jié)晶性能。本文還提出了LP緩沖層的生長(zhǎng)過(guò)程模型，認(rèn)為緩沖層厚度在超過(guò)一(002)取向漸變區(qū)后，才能提高后續(xù)沉積薄膜的定向性。 首次采用多步法在玻璃襯底上制備ZnO薄膜，研究了RF功率對(duì)多步法ZnO薄膜性能的影響。結(jié)果表明，在30-300W的RF功率范圍內(nèi)，均可制得晶粒均勻致密、(002)定向性好的薄膜，但濺射功率的繼續(xù)提高會(huì)影響薄膜的表面形貌。隨濺射功率的升高，薄膜的可見(jiàn)光透過(guò)率降低，帶隙變窄(從

4、3.33eV降至3.28eV)，電阻率也從2.8×10<'10>Ω·cm降至2.5×10<'8>Ω·cm。本文建立了多步法生長(zhǎng)薄膜的模型，認(rèn)為通過(guò)沉積、熱處理、再沉積、再熱處理的過(guò)程，可逐漸填充ZnO薄膜內(nèi)部的孔洞，從而制備出高質(zhì)量的ZnO薄膜。 在Si(111)襯底上沉積不同功率的ZnO薄膜，與玻璃襯底上薄膜(LP緩沖層上制備或多步法制備)的性能進(jìn)行對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)表明，在100-500W的功率下，玻璃襯底上(LP緩沖層上制備或

5、多步法制備)的薄膜的(002)定向性均接近Si(111)襯底上薄膜；薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、表面平整度、晶粒的均勻性、致密性等均優(yōu)于Si(111)襯底上薄膜：Si(111)襯底上的ZnO薄膜中內(nèi)應(yīng)力較大，導(dǎo)致薄膜局部開(kāi)裂。對(duì)不同條件下制備的薄膜的拉曼光譜研究表明，除ZnO的特征拉曼峰外，在高功率濺射條件下，還首次發(fā)現(xiàn)了1080cm<'-1>處非常尖銳的拉曼峰，且其峰強(qiáng)隨功率升高而增強(qiáng)。1080cm<'-1>處的拉曼峰可能是由Zni缺陷在ZnO晶