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1、------------------------------------------------------------------------------------------------生長溫度對磁控濺射ZnO薄膜的結(jié)晶特性和光學性能的影響_孫成偉第55卷第3期2006年3月1000-3290200655(03)1390-08物 理 學 報ACTAPHYSICASINICAVol.55,No.3,March,2006c2006Chin.Phys.Soc.生長溫度對磁控濺射ZnO薄膜的結(jié)晶特性＊和光學性能的影響孫成偉1) 劉志文1) 秦福文1) 張慶瑜1) 劉 琨
2、2) 吳世法——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------2)1)(大連理工大學三束材料改性國家重點實驗室,大連 116024)2)(大連理工大學物理系,大連 116024)(2005年8月10日收到;2005年8月27日收到修改稿) 采用反應射頻磁控濺射方法,在Si(100)基片上制備了具有高c軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜.利用原子力顯微鏡、透射電子顯
3、微鏡、X射線衍射分析、拉曼光譜等表征技術(shù),研究了沉積溫度對ZnO薄膜的表面形貌、晶粒尺度、應力狀態(tài)等結(jié)晶性能的影響;通過沉積溫度對透射光譜和光致熒光光譜的影響,探討了ZnO薄膜的結(jié)晶特性與光學性能之間的關(guān)系.研究結(jié)果顯示,在室溫至500℃的范圍內(nèi),ZnO薄膜的晶粒尺寸隨沉積溫度的增加而增加,在沉積溫度為500℃時達到最大;當沉積溫度為750℃時,ZnO薄膜的晶粒尺度有所減小;在室溫至750℃的范圍內(nèi),薄膜中ZnO晶粒與Si基體之間均存在著相對固定的外延關(guān)系;在沉積溫度低于500℃時,制備的ZnO薄膜處于壓應變狀態(tài),而750℃時沉積的薄膜表現(xiàn)為張應變狀態(tài).沉積溫度的不同
4、導致ZnO薄膜的折射率、消光系數(shù)、光學禁帶寬度以及光致熒光特性的變化,沉積溫度對紫外光致熒光特性起著決定性的作用.此外,探討了影響薄膜近紫外光致熒光發(fā)射的可能因素.關(guān)鍵詞:ZnO薄膜,表面形貌,微觀結(jié)構(gòu),光學常數(shù)PACC:7280E,6855,7855過渡層對ZnO在(001)取向的Al2O3基體上的層狀1.引言——————————————————————————————————————--------------------------------------------------------------------------------------------
5、----生長是有利的;Ko等人[14]在研究ZnO原子比對等離子體輔助下ZnO分子束外延生長行為的影響中ZnO具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu),禁帶寬度為3.37eV,激子束縛能為60meV,可以實現(xiàn)室溫下的激子發(fā)射.氧化鋅作為新一代的寬帶半導體材料,具有廣泛的應用,如ZnO薄膜可以制成表面聲波諧振器[1]發(fā)現(xiàn)ZnO薄膜的生長是受氣氛中的O濃度所控制的,并給出了生長過程中ZnO表面重構(gòu)結(jié)構(gòu)變化的相圖.這些有關(guān)生長行為的研究結(jié)果,對于制備高質(zhì)量的ZnO薄膜具有重要價值.反應磁控濺射作為一種低溫沉積技術(shù),近年來在ZnO薄膜的制備中受到人們的廣泛關(guān)注.然而,由于反應磁控濺射過程所涉及的控
6、制參數(shù)比較多,實驗工藝相對復雜,使得人們對ZnO薄膜的生長行為及結(jié)晶特性的了解還不夠深入.目前采用反應磁控濺射方法制備的ZnO薄膜的光學特性不很理想,一般不經(jīng)過退火處理很難獲得比較強的室溫紫外受激發(fā)射.在濺射氣壓、ArO2氣體比例、放電功率等眾多工藝參數(shù)中,我們發(fā)現(xiàn)沉積溫度對ZnO薄膜的生長行為起著至關(guān)重要的作用,并決定著ZnO薄膜的光學性能.,壓電器件[4]——————————————————————————————————————--------------------------------------------------------------------
7、----------------------------[2],GaN藍光薄膜的過渡層[5][3]以及透明導電膜等.自從1998年Tang等人報道了ZnO薄膜的光抽運近紫外受激發(fā)射現(xiàn)象以后,ZnO再次成為當今半導體材料研究領(lǐng)域的熱點.目前,ZnO薄膜研究的重點之一是高質(zhì)量ZnO薄膜的制備問題.人們探索了多種薄膜合成技術(shù)的ZnO薄膜制備工藝,如分子束外延(MBE)、化學氣相沉積(CVD)、脈沖激光沉積(PLD)、溶膠-凝膠(sol-gel)和反應磁控濺射[8][9—12][6][7][5]等,研究了不同基片[13]及過渡層對ZnO薄膜質(zhì)量的影響,并取得
