Zn3N2薄膜的制備及光學特性研究.pdf

1、在科學技術日新月異的當今社會，半導體薄膜材料以其優(yōu)異的半導體特性和特殊的小尺寸效應已經成為了科技材料研究的熱點。目前研究比較廣泛的是鋅類和氮族化合物，而Zn3N2正是兼屬于這兩類材料的特殊化合物。因此，近年來Zn3N2薄膜開始引起人們極大的研究興趣。Zn3N2具有較高導電率、高載流子遷移效率、低制備成本等優(yōu)點;禁帶寬度大且寬度可調;本征Zn3N2氧化后可獲得p型ZnO，幫助解決先前通過受主摻雜技術將本征n型ZnO轉變?yōu)閜型ZnO時，由于

2、受主雜質固溶度低而導致轉變難以成功的問題。
　　本論文研究工作采用射頻反應磁控濺射技術，用金屬鋅與氮氣反應生長Zn3N2薄膜，研究基底材料、濺射功率、N2-Ar混合氣體流量比和基底溫度四項實驗參數對Zn3N2薄膜生長質量的影響。應用多種檢測方法分析不同實驗條件下生長的薄膜的晶格結構、擇優(yōu)取向、晶粒尺寸、表面形貌、透過率及光波導特性。
　　在石英玻璃、單晶硅<100>和<111>三種不同基底上生長的Zn3N2薄膜，經XRD檢測

3、后發(fā)現，石英玻璃基薄膜樣品在同組實驗中具有最大的晶粒尺寸，最強的衍射峰和擇優(yōu)取向，且可獲得多晶結構Zn3N2薄膜。
　　選定石英玻璃作基底，在不同的濺射功率下制備Zn3N2薄膜。XRD分析結果顯示，濺射功率在30W和60W時，生長的Zn3N2薄膜為準單晶結構，只有(321)擇優(yōu)取向，晶粒尺寸隨濺射功率提高而增大。濺射功率提高到90W時，薄膜結構變?yōu)槎嗑ЫY構，出現(400)和(600)兩個衍射峰，擇優(yōu)取向由(321)變?yōu)?400)，

4、晶粒尺寸繼續(xù)增大。當濺射功率繼續(xù)提高到150W后，由于薄膜與基底附著能力變差，薄膜質量開始下降。應用棱鏡耦合檢測薄膜的波導結構，在633nm波長下，無論是TE模還是TM模，其有效折射率均大于基底的折射率，且折射率隨濺射功率提高而增大，證明了樣品形成了Zn3N2/SiO2薄膜波導結構。
　　采用XRD分析不同N2-Ar流量比下薄膜的結晶情況和晶粒尺寸。隨著N2-Ar氣體流量比從2∶3提高到3∶2，Zn3N2生成量增多。在3∶2條件下

5、，薄膜結構為多晶，晶粒尺寸增大。N2-Ar比提高到4∶1時，薄膜結構為準單晶，只有(321)衍射峰，衍射峰強度和晶粒尺寸都繼續(xù)增大。薄膜透射光譜顯示，隨著N2-Ar流量比提高，薄膜透射率下降，表明薄膜厚度增大，致密性提高。且Zn3N2薄膜禁帶寬度大，不僅對可見光有較高透過率，而且在紫外光波段透過率隨波長增大而提高。
　　XRD結果顯示，200℃基底上生長的薄膜的晶粒尺寸比常溫基底上的小，說明高溫基底不利于Zn3N2薄膜的生長。在常