ZnO薄膜材料的常壓MOCVD生長和性能研究.pdf

1、本論文研究了在自行研制的常壓MOCVD系統(tǒng)上進行了ZnO薄膜的生長和性能分析。主要內(nèi)容及取得部分重要結(jié)果與結(jié)論如下： 第一部分： 1、采用自制的常壓MOCVD方法在切割傾角0.2°的Al2O3(0001)襯底上制備了單晶ZnO薄膜。分析了用高分辨X射線雙晶衍射技術(shù)以襯底衍射峰為參考，測量外延膜準確晶格常數(shù)的方法，并指出必須考慮外延層和襯底間取向偏差在測量中引入的疊加效應，并予以消除。 2、在應力作用下樣品會產(chǎn)生彎

2、曲形變，分析了彎曲對X射線雙晶衍射搖擺曲線的影響，指出可以通過測量搖擺曲線的峰位移動得到ZnO外延片的彎曲半徑，并進而計算出外延層所受應力的大小。 3、測試得到ZnO外延層的a方向晶格常數(shù)小于、而c方向晶格常數(shù)大于自由狀態(tài)下體單晶的晶格常數(shù)，說明外延層處于壓應力狀態(tài)。壓應力主要來源于晶格失配和熱失配。對比有低溫緩沖層的薄膜，高溫直接生長樣品的晶格畸變更加嚴重。 4、首次采用雙晶XRD技術(shù)系統(tǒng)分析了Al2O3襯底上生長的Z

3、nO外延層的取向偏差。ZnO外延層和藍寶石襯底在應力和切割傾角的作用下產(chǎn)生了偏角，偏角的方向繼承了襯底的切割傾角方向，但角度值小于切割傾角的0.2°。高溫直接生長樣品的取向偏角為0.023°，有低溫緩沖層樣品取向偏角僅為0.019°。 5、DCXRD測試得到高溫直接生長的外延片彎曲半徑為26.86m，應力為0.42×109Pa；低溫緩沖層樣品分別為37.76m和0.36×109Pa。表明低溫緩沖層有利于馳豫因失配而引入的應力并進

4、而提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。 第二部分： 1、采用常壓MOCVD在Si(111)襯底上外延ZnO薄膜。為了緩解失配、保護襯底，先用低壓MOCVD系統(tǒng)在Si襯底上生長一20nm厚的AlN緩沖層，再把樣品移入常壓MOCVD系統(tǒng)外延生長ZnO薄膜。 2、XRD分析表明薄膜為C軸擇優(yōu)取向，根據(jù)對稱衍射不同衍射級數(shù)的(0002)和(0004)面峰位相對間距，分別計算了ZnO外延層和AlN緩沖層c方向的晶格常數(shù)，得到Czno=0.

5、5195nm，CAlN=0.4862nm，均小于自由狀態(tài)下ZnO(0.5207nm)和AlN(0.4982nm)晶體的C值。表明薄膜在晶格失配和熱失配作用下處于受拉狀態(tài)。 3、測試了ZnO薄膜的對稱(0002)面和斜對稱(1012)面的X射線雙晶衍射Omega搖擺曲線。Omega(0002)搖擺曲線的半峰全寬(FWHM)為460"，Omega(1012)搖擺曲線的FWHM為1105"。Omega(0002)的FWHM比文獻已報道

6、的最小值(720")小280"，這是已報道的Si襯底ZnO薄膜的對稱Omega(0002)半峰寬的最小值；同時，這也是第一次報道在Si襯底上生長的ZnO薄膜有非對稱面的XRD搖擺曲線結(jié)果。 4、外延生長過程中，激光干涉實時監(jiān)測曲線出現(xiàn)了很規(guī)則的干涉周期，，證明外延層生長為準二維過程。通過干涉周期計算得到薄膜生長速率為4.14um/h。較快生長速率和較高結(jié)晶質(zhì)量對今后的規(guī)模化生產(chǎn)是十分有利的。薄膜表面微裂紋密度為20cm-1，實現(xiàn)