磁控濺射法制備ZnO薄膜的光學(xué)特性分析

徐井華,崔 舒,漢 語,劉成有

(通化師范學(xué)院 物理學(xué)院，吉林 通化 134002)

1 引言

ZnO是一種具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度約為3.37eV，激子束縛能卻高達(dá)60meV，由于具有較大的束縛能，激子更易在室溫下實現(xiàn)高效率的激光發(fā)射,是適用于在室溫或更高溫度下應(yīng)用的短波長發(fā)光材料[1-3].磁控濺射法是20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來的一種高速濺射技術(shù)，最初用于沉積金屬和光學(xué)薄膜.隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷完善，磁控濺射也逐漸被用來制備半導(dǎo)體薄膜[4-6].本文采用磁控濺射法在藍(lán)寶石襯底上生長了ZnO薄膜，然后不同溫度退火處理，研究退火溫度薄膜的結(jié)構(gòu)、紫外透射、室溫光致發(fā)光、表面形貌等的影響.

2 實驗過程

2.1 襯底清洗

將藍(lán)寶石襯底依次用甲苯、去離子水、丙酮、去離子水、甲苯超聲清洗30分鐘，最后用大量流動的去離子水沖洗基片表面.將基片放入烘箱烘干備用.

2.2 濺射鍍膜

實驗采用了射頻反應(yīng)濺射的方法來制備薄膜，實驗用薄膜生長設(shè)備為北京泰科諾科技有限公司生產(chǎn)的真空多靶磁控濺射鍍膜儀，其優(yōu)點為可以多靶共濺射，且薄膜在生長過程中襯底可以勻速旋轉(zhuǎn)，有利于提高薄膜樣品的均勻性.

濺射過程設(shè)置參數(shù)為：鍍膜時間為2h時，薄膜的生長過程中保持 Ar 的壓強在 0.55Pa，Ar 的流量速率為 10SCCM，電源功率在 80W，基底旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為10r/min.

2.3 退火處理

熱退火技術(shù)是薄膜材料制備過程中一種常用的方法.磁控濺射所得的薄膜樣品在制備過程中會在薄膜內(nèi)部留下內(nèi)應(yīng)力，形成一些缺陷，如晶粒粗大、帶狀組織、偏析等，為了改善薄膜質(zhì)量，消除缺陷，通常要進(jìn)行退火處理，得到最優(yōu)異的薄膜性能.本實驗中將樣品置于馬弗爐中退火，藍(lán)寶石襯底的樣品退火溫度分別設(shè)定為800℃、900℃、1000℃、1100℃.退火時間1h，隨爐冷卻至室溫，得到一系列ZnO薄膜.

3 測試分析

3.1 X射線衍射譜分析(XRD)

薄膜的結(jié)構(gòu)和生長質(zhì)量采用 X 射線衍射儀來進(jìn)行研究.圖1是不同退火溫度下的XRD衍射圖譜，XRD譜顯示ZnO薄膜樣品為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)， 所有樣品的XRD譜線都有六個衍射峰，分別對應(yīng)Zn0的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)和(103)衍射峰，衍射峰均無明顯的擇優(yōu)取向，衍射峰均較寬，這可能是較大的粒子尺寸分布所致.可以看到，所有ZnO薄膜樣品均表現(xiàn)出(100)、(002)和(101)衍射峰，且三峰強度相當(dāng)，隨退火溫度升高，三峰強度均增加后又小幅減弱，綜合看來，1000℃退火條件下的樣品具有最好的晶體結(jié)構(gòu).

圖1 樣品XRD圖譜

3.2 紫外透射光譜分析(UVS)

圖2 樣品室溫透射光譜

從圖2中看到，所有的樣品都在 380nm 附近有一個較陡的透射邊，這對應(yīng)ZnO薄膜樣品的本征發(fā)光區(qū)域，可以發(fā)現(xiàn)透射邊隨著退火溫度的升高，樣品的透射邊逐漸發(fā)生了藍(lán)移后又發(fā)生了紅移，說明當(dāng)退火溫度升高之后會有更多的缺陷被填充，使 ZnO 的結(jié)晶性能更趨于良好，所以會使光學(xué)帶隙變寬，在透過率圖譜上則顯示為透射邊向短波方向移動，這也與有關(guān)文獻(xiàn)描述一致[7].隨著退火溫度的繼續(xù)升高，高溫會造成ZnO 分解而形成的缺陷也會促進(jìn)吸收邊的紅移.

3.3 光致發(fā)光光譜分析(PL)

圖3是薄膜樣品分別在800℃～1100℃退火條件下的低溫光致發(fā)光譜，從圖譜可以看到樣品具有較好的發(fā)光特性.不同退火溫度下的樣品都有380左右的紫外本征發(fā)光峰和黃綠光部分的缺陷發(fā)光.1100℃退火樣品的本征藍(lán)紫發(fā)光最強，這個發(fā)光普遍認(rèn)為是由于近帶邊(NBE)發(fā)射引起的，其余溫度的樣品黃綠缺陷發(fā)光較強，普遍被認(rèn)為與自由激子復(fù)合有關(guān)[8].此發(fā)光峰主要是由于深能級缺陷而引起的，因為 ZnO 退火后引起的大量的缺陷使其出現(xiàn)強度很大的發(fā)光峰，從而使3.37eV 的 ZnO 特征峰減弱，這說明并不是退火溫度越高，薄膜樣品的光學(xué)性能越好.

圖3 樣品PL光譜

3.4 表面形貌分析(AFM)

薄膜的表面形貌不僅影響樣品的物理化學(xué)特性，而且與薄膜制備條件、晶體結(jié)構(gòu)等存在內(nèi)在的聯(lián)系.表面形貌對于透明導(dǎo)電薄膜的光學(xué)和電學(xué)特性具有重要的影響.采用日本精工生產(chǎn)SPII-3800型的原子力顯微鏡對樣品進(jìn)行表面形貌的測試.測試結(jié)果如下：四個溫度的濺射樣品表面均呈現(xiàn)顆粒狀生長的面貌，且表面顆粒分布都比較均勻，但不同的退火溫度引起了顆粒尺寸大小不同，900℃退火下的樣品顆粒尺寸最大.

圖4 樣品AFM形貌圖

4 結(jié)果討論

磁控濺射鍍膜樣品的透射邊隨著退火溫度的提高發(fā)生藍(lán)移又紅移現(xiàn)象，所有樣品都有比較好的發(fā)光性能，1100℃退火條件下樣品的紫外發(fā)光較好，800℃、900℃、1000℃退火條件下樣品有較好的缺陷發(fā)光特性.900℃退火的樣品的表面形貌平整度最好，粒子分布均勻.

參考文獻(xiàn)：

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[7]張瑞芳.理論和實驗研究稀土摻雜對ZnO能隙的調(diào)控作用[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，2007.

[8]杜繼龍.P型 ZnO 的制備與研究[D].蘇州:蘇州大學(xué), 2010.