射频磁控溅射制备ZnO薄膜及其氢化处理的特性研究

来源 :景德镇陶瓷学院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nieyuhan
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ZnO是一种宽带隙半导体材料,其禁带宽度、晶格常数都和GaN十分接近。和GaN相比,ZnO具有更高的激子束缚能(60meV)、更好化学性稳定、更低的外延生长温度等优点。目前,世界各国己经掀起了ZnO薄膜研究的热潮。  本研究采用射频磁控溅射系统,以ZnO陶瓷靶(99.99%以上)为靶材,Ar作为溅射气体,H2作为掺杂源;在石英玻璃衬底上生长ZnO和氢化处理的ZnO:H薄膜。首先研究各种制备工艺参数对 ZnO薄膜的性能影响,探讨出最佳的工艺参数。在此工艺参数基础之上,在不同H2分压比条件下的沉积ZnO:H薄膜;并探讨H原子掺杂在ZnO薄膜中的作用。通过分析ZnO薄膜的结晶性能、光学性能及电学性能,得出最合理的工艺条件为溅射功率250 W、溅射气压1Pa、衬底温度为100℃、溅射时间60 min。在此工艺参数的基础上,在溅射气体中通入H2,在石英衬底上沉积氢化处理的ZnO:H薄膜。通过XRD检测分析,结果表明:衬底温度为100℃下,制备的ZnO:H薄膜的(002)峰FWHM最小为0.377°,明显小于未掺杂H的ZnO薄膜(002)峰FWHM(0.518°);表明适当的H原子掺杂可以有效的提高ZnO薄膜的结晶性能,有利于提高薄膜的晶体质量。但是过多的H原子引入溅射气氛中,也会阻碍ZnO薄膜的结晶和生长。室温下,ZnO:H薄膜具有较强的可见光透过率,平均透过率达到85%以上;室温红外吸收光谱也观察到了对应于ZnO的O-H键局域振动模式吸收带。通过ZnO:H薄膜的透射谱和反射谱推算的结果表明:ZnO的禁带宽度从3.246 eV增加到了3.291 eV,而且ZnO:H薄膜的最低电阻率达到了8.4×10-2Ω·cm;说明H原子进入ZnO薄膜后,表现为施主,提供电子,有效的增加了ZnO的禁带宽度。H掺杂ZnO薄膜具有更低电阻率,能和其他物质(比如Al)共掺杂;使ZnO薄膜的性能得到有效提升,具有重要的应用价值。
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