ZnO薄膜的制備及其光學(xué)性質(zhì)的研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種新型的寬禁帶Ⅱ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV。ZnO薄膜具有優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)性能，在許多領(lǐng)域具有現(xiàn)實及潛在的應(yīng)用，如表面聲波器件、透明電極，紫外光探測器、發(fā)光二極管、壓電器件、氣敏傳感器及平面波導(dǎo)等。近年來，隨著短波長發(fā)光器件的廣泛應(yīng)用，ZnO薄膜作為直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料引起了國內(nèi)外材料界的極大關(guān)注，成為繼GaN之后光電研究領(lǐng)域又一熱門研究課題。
　　 在本論文的

2、工作中，我們采用射頻磁控濺射技術(shù)在石英玻璃襯底上制備出了高質(zhì)量的ZnO薄膜，并采用多種分析方法對其結(jié)構(gòu)、表面形貌、成分、膜厚、光學(xué)及光波導(dǎo)特性進行了研究。論文主要內(nèi)容如下：
　　 首先，我們研究了工作壓強對ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。利用X-射線衍射技術(shù)分析了ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶情況，結(jié)果表明，在濺射壓強較低的條件下，制備出了高度c軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜，隨著工作壓強的降低，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量先得到提高，后下降，工作壓強為0.

3、5Pa的樣品在同組樣品中具有最好的結(jié)晶質(zhì)量。利用原子力顯微鏡(AFM)研究了薄膜的表面形貌，分析了工作壓強對薄膜表面粗糙度的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，工作壓強為0.5Pa的樣品算數(shù)平均粗糙度(2.579nm)和方均根粗糙度(3.249nm)在同組樣品中最小，薄膜結(jié)晶質(zhì)量最好，與X射線衍射分析結(jié)果一致。通過背散射技術(shù)(RBS)分析了薄膜的成分，并研究了工作壓強和薄膜的沉積速率之間的關(guān)系。應(yīng)用RBS譜從Zn及O元素背散射離子的產(chǎn)額估算出了Zn元素與O

4、元素的原子數(shù)比，結(jié)果表明，膜中Zn∶O約為1∶0.96接近于靶材中Zn、O元素的含量比。并成功的制備了ZnO/SiO2薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用棱鏡耦合技術(shù)測量各樣品TE模和TM模對633nm波長光波對應(yīng)的有效折射率，應(yīng)用這些有效折射率值，估算了膜的折射率，結(jié)果表明，所制備的薄膜的折射率小于塊狀ZnO晶體的折射率，濺射壓強越小樣品的折射率越接近于塊狀晶體材料的折射率。
　　 其次，我們研究了濺射功率對ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。通過

5、X射線衍射分析了ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶情況，結(jié)果表明，濺射功率分別為100W、120W和150W條件下制備的ZnO薄膜均為c軸擇優(yōu)取向，增大濺射功率，有利于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。應(yīng)用原子力顯微鏡研究了薄膜的表面形貌，分析了
　　 濺射功率對薄膜表面粗糙度的影響。結(jié)果表明，增大濺射功率有利于增大晶粒尺寸，改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，使薄膜表面粗糙度降低。濺射功率分別為120W及150W條件下，應(yīng)用射頻磁控濺射技術(shù)成功的制備出了ZnO/SiO

6、2薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。用棱鏡耦合法檢測了ZnO/SiO2薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，測量了樣品TE模和TM模對633nm波長光波對應(yīng)的有效折射率，應(yīng)用這些有效折射率值，估算了膜的折射率，結(jié)果表明，所制備的薄膜的折射率小于ZnO塊狀晶體的折射率，濺射功率越大樣品的折射率越接近于塊狀晶體材料的折射率。
　　 第三，我們分析了襯底溫度對ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。通過X射線衍射分析了ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶情況，實驗發(fā)現(xiàn)，襯底溫度對薄膜的結(jié)晶情況有重要

7、的影響，適當提高襯底溫度，有利于提高ZnO薄膜的c軸擇優(yōu)取向及結(jié)晶質(zhì)量。襯底溫度為300℃時(002)面衍射峰強度最弱，且c軸晶格常數(shù)比標準ZnO晶體晶格常數(shù)小0.0352(A)，而其它溫度下制備的ZnO薄膜樣品c軸晶格常數(shù)均大于標準晶體晶格常數(shù)，這說明襯底溫度為300℃時，ZnO薄膜的生長方式發(fā)生了變化。利用原子力顯微鏡研究了薄膜的表面形貌，分析了襯底溫度對薄膜表面粗糙度的影響。利用棱鏡耦合法檢測了ZnO/SiO2薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，測量了

8、樣品TE模和TM模對633nm波長光波對應(yīng)的有效折射率，應(yīng)用這些有效折射率值，估算了膜的折射率，結(jié)果表明，不同襯底溫度下制備的ZnO薄膜的折射率小于ZnO塊狀晶體的折射率。通過紫外-可見光分光光度計分析表明，不同襯底溫度下制備的ZnO薄膜可見光區(qū)平均透射率超過80％，其禁帶寬度在3.32-3.35eV之間接近于ZnO塊狀晶體的禁帶寬度。
　　 最后，我們研究了濺射沉膜時間對ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。通過X射線衍射分析了Zn