PLD技術制備ZnO薄膜及其結構和發(fā)光性質研究.pdf

1、ZnO是一種纖鋅礦結構的寬禁帶半導體材料，室溫下的禁帶寬度約為3.37eV，具有優(yōu)異的光學和電學特性，在透明導電薄膜，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用，尤其是高質量ZnO薄膜的室溫紫外受激發(fā)射的實現，使其成為當前的研究熱點。 本論文利用PLD技術在Si，SiC，Al<,2>O<,3>，襯底上制備了ZnO薄膜，并對工藝進行優(yōu)化，利用一些常規(guī)測試方法和同步輻射實驗技術研究了不同生長條件對PLD技術制備的ZnO薄

2、膜結構，光學和電學性質的影響。主要的研究工作及結果如下： 1．在Si襯底上ZnO薄膜的生長及其結構和發(fā)光性質的研究利用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條件對ZnO薄膜的結晶質量的影響，分析了這些影響產生的原因，并利用優(yōu)化的生長條件制備出了高質量的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研究了兩個不同襯底溫度下(300

3、℃，500℃)生長的ZnO薄膜的局域結構以及薄膜表面元素的化學態(tài)和相對含量。研究結果表明，500℃生長的薄膜的結晶質量要好于300℃生長的樣品，但500℃生長的薄膜中的0/Zn比卻小于300℃生長的薄膜。利用GID研究了薄膜內部不同深度的品格馳豫過程，結果顯示隨著x射線探測深度從靠近薄膜表面增加到薄膜與襯底的界面處，兩個樣品a方向的晶格常數都減小，這說明薄膜內部的應變是不均勻的。PL譜結果表明，znO薄膜的紫外發(fā)射與它的晶體質量有著非常

4、密切的關系。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)現了發(fā)光中心位于430nm的紫光發(fā)射，我們認為該發(fā)射與存在于ZnO-ZnO晶粒間界的界面勢阱所引起的界面缺陷能級到價帶的躍遷有關，這個界面勢阱可能起源于Zn填隙。 2．Mn摻雜對ZnO薄膜結構和光學性質的影響利用PLD方法在Si(111)襯底上生長出了Mn摻雜的c軸高度取向的ZnO薄膜。光致發(fā)光(PL)結果顯示了Mn的摻雜引起了薄膜的帶邊發(fā)射藍移，強度減弱，紫光發(fā)射幾乎消

5、失，但綠光發(fā)射增強。利用XRD，XAFS，XPS和Raman等實驗技術對Mn摻雜的ZnO薄膜的結構進行了研究。XRD和XAFS結果表明Mn進入了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結果從實驗上證實了Mn是以+2價的價態(tài)存在的，這就導致了摻Mn以后的薄膜帶隙變大，在發(fā)光譜中表現為帶邊發(fā)射的藍移。Raman結果表明Mn的摻入對薄膜的晶格振動產生了一定的影響，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反應自身變?yōu)镸n<'2+>，導致薄膜的結晶性變差，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。 3．在SiC或以SiC為緩沖層的si上生長ZnO薄膜及ZnO/SiC界面研究采用以MBE方法在Si襯底上生長的3C-SiC作為過渡層，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ZnO薄膜的結晶質量的影響，并分析了產生這些影響的原因。通過對PLD方法的工藝優(yōu)化，在6H-SiC單晶襯底上制備出了高質量的ZnO薄膜，x射線雙晶搖擺曲線結果顯示其(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軸方向的實際的晶格失配度僅為5.84％，并且利用X射線φ掃描技術觀察到了該Zn0薄膜(110)等效晶面的六重對稱性。由此說明，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襯底上原位生長的SiC和石墨作為過渡層，利用PLD方法制備ZnO薄膜。通過其電學特性的研究表明，SiC和石墨過渡層的使用，可以極大的提高ZnO和Si襯底組成的p-n結的I-V特性。 利用SRPES和XPS的價帶譜和芯能級譜技術，研究了金屬Zn在SiC表面的吸附和熱氧化過程以及ZnO/SiC異質界面的形成和結構。研究結果表明，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，襯底也會發(fā)生輕度氧化，從而導致在ZnO/SiC界面處存在一層很薄的Si的氧化層。根

10、據得到的光電子能譜的實驗結果，計算出用Zn熱氧化方法形成的Zro/SiC異質結的價帶偏移為1.1eV。 4．在Al<,2>O<,3>上生長ZnO薄膜及其界面結構的研究在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了高度c軸取向的ZnO薄膜。XRD和RHEED結果顯示了襯底溫度和氧分壓對ZnO薄膜的生長模式和結晶質量有很大的影響。x射線雙晶搖擺曲線結果顯示利用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°，已經達到了單晶水平。同步輻射掠入射X射線衍射結果顯示，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℃生長的Zn0薄膜的a方向的晶格常數明顯增加，而750℃的Zn0薄膜的a方向的品格常數卻略微減小，這說明襯底溫度對ZnO薄膜內部不同深度的晶格馳豫有很大的影響。同步輻射掠入射x射線反射結果顯示650℃，0.13Pa條件下生長的ZnO薄膜