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ZnO是一种新型的第三代宽禁带半导体材料,ZnO具有与GaN 相似的纤锌矿结构,它在室温下的禁带宽度为3.26eV,但激子束缚能(60meV)比GaN(25 meV)及室温下的热离化能26 meV 要高出许多,这使得它理论上能够在室温下获得高效的紫外激子发光,在紫外发光二极管、激光器、探测器等领域有着巨大的发展潜力。另外,由于ZnO具有高机电耦合系数、低介电常数、高透过率、高化学稳定性以及优异的压敏、气敏特性等使其在表面声波器件、透明导电器件、压敏、气敏元件及缓冲层上有很大的应用前景。
本文采用FJL-560型磁控溅射系统在硅片Si(111)、蓝宝石(Al2O3)、玻璃等不同衬底上制备出了ZnO薄膜,并利用XRD、SEM、AFM、Hall、Raman、PL 等不同测试手段对薄膜的结构、表面形貌、光电性质进行了研究,主要研究结果如下:
1.通过不同测试手段分析了衬底温度、溅射功率、溅射气压对Si 衬底上ZnO薄膜结构和光学性质的影响,通过分析找出适合在硅衬底上生长ZnO薄膜的最佳工艺条件分别是衬底温度为300℃、溅射功率为60W、溅射气压为2Pa。对样品进行了不同温度的退火,发现在400-800℃温度范围,随着退火温度的升高薄膜应力减少,结晶质量提高。
2.改变氧氩流量比、溅射气压在蓝宝石衬底上生长出了ZnO薄膜,发现当Ar/O2为15/5 时,薄膜的半高宽最小,晶粒尺寸达到最大,分析认为合适的氧气含量有利于填充薄膜中的氧空位,减少缺陷,提高薄膜的结晶质量,并通过分析发现当溅射气压为1-2Pa 时能生长出结晶质量较好的ZnO薄膜。
3.在不同衬底(硅片、蓝宝石、玻璃)上生长ZnO薄膜,分析发现在蓝宝石衬底上生长的薄膜结晶质量最好,主要是由于二者晶格失配率小,晶粒在衬底表面易于成核生长,减少了缺陷密度。
4.使用磁控溅射系统在不同N2/Ar 流量比的条件下制备了氮掺杂的ZnO薄膜,拉曼分析发现271cm-1处的散射峰是由于N 掺杂引起的局域振动。并通过Hall 测试结果分析了N 掺杂机理,氮原子进入氧化锌晶格的氧格位,成为有效受主,实现了ZnO由n型向p型的转变。