不同氧压下脉冲激光沉积ZnO薄膜的研究
脉冲激光沉积薄膜技术研究新进展_敖育红
图 2 激光分子束外延沉积薄膜装置图 a M BE 腔 b 化 学导 波 板 c 电 子束 源 d 衬底 台架 e RH EED 探测器 f T TL 照相机 g RH EED 衍射信号显示屏
薄膜按二维原子层方式生 长, RHEED 谱随膜 层按 原子尺度的增加将发生周期性的振荡。当新的一层 膜开始生长时, RH EED 谱强度总是处于极大值, 其
1
50 ( 1~ 4) 10- 8
2 脉冲激光沉积薄膜技术的特点和研究方 法
PLD 实验方法看似简单而机理却极其复杂, 为 此, 人们进行了采用各种可行装置进行实时监控、分 析的大量研究, 以便能够精确分析、监控薄膜在原子 层尺度上的外延生长, 该技术称为激光原子层外延。 其中, 高能电子衍射( RHEED) 技术是一种较为成熟 和常 用 的 方 法[ 3] , 它 把 传 统 的 分 子 束 外 延 技 术 ( MBE) 与脉冲激光制膜技术的优势进行了 有机结 合, 是制备高质量外延薄膜, 特别是多层及超晶格膜 的有效方法。它的装置如图 2 所示。原理为: 如果
脉冲宽 度/ s
( 2~ 3) 10- 6 ( 7~ 9) 10- 9 ( 5~ 7) 10- 9
三次谐波激光器 355 0. 24 20 ( 4~ 6) 10- 9
X eCl 准分子激光器 308 2. 3 20
40 10- 9
ArF 准分子激光器 193
1
50 ( 1~ 4) 10- 9
KrF 准分子激光器 248
随着激光器技术的发展, 传统研究中该技术所 使用的主要激光器参数可列出, 如表 1 所示[ 2] 。
表 1 传统 PLD 技术中所用激光器的典型参数
激光器类型
CO2 TEA 激光器 N d YA G 激光器 二次谐波激光器
氧分压对纳米ZnO薄膜光致发光特性的影响
基金项目:国家民委科研项目(02X B08);甘肃省自然科学基金(0803R J Z A008);西北民族大学校中青年科研基金(X 2006201)氧分压对纳米ZnO 薄膜光致发光特性的影响薛华,张国恒,张浩(西北民族大学电子材料国家民委重点实验室,兰州730030)摘要:采用射频反应磁控溅射法在玻璃衬底上成功制备出具有c 轴高择优取向的ZnO 薄膜,利用X 射线衍射仪及荧光分光光度计研究了氧分压变化对ZnO 薄膜的微观结构及光致发光特性的影响。
结果表明,当工作气压恒定时,合适的氧分压能够提高ZnO 薄膜的结晶质量。
对样品进行光致发光测量时,所制备ZnO 薄膜样品在400nm 左右出现较强紫光发射,在446nm 出现蓝光发射,经分析认为紫光发射来源于激子复合,而446nm 左右的蓝光发射来源于ZnO 薄膜内部的Zn i 缺陷。
关键词:氧化锌薄膜;射频磁控溅射;X 射线衍射;光致发光中图分类号:O484 文献标识码:A 文章编号:10032353X (2009)022*******I nfluence of Oxygen P artial Pressure on the PhotoluminescenceProperties of N ano Z nO FilmsXue Hua ,Zhang G uoheng ,Zhang Hao(K ey Laboratory for Electronic Materials o f the State National Affair s Commission o f PRC ,Northwest Univer sity for Nationality ,Lanzhou 730030,China )Abstract :ZnO thin films with c 2axis preferred orientation were prepared on glass substrate by RF co 2reactive magnetron sputtering technique ,the in fluence of oxygen partial pressures on the microstructure and optical properties of ZnO thin films were studied by X 2ray diffractometry (XRD )and fluorescence spectrophotometer.XRD results show that when the w orking pressure is kept in constant ,the growth behavior of the ZnO thin film is mainly decided by the density of oxygen in the space where the sam ple is deposited ,and the crystallization of the ZnO thin films is prom oted by desirable oxygen partial pressure.In addition ,the photoluminescence (P L )spectrums of the five sam ples were measured at room tem perature ,violet peaks located at about 400nm and blue peaks located at 446nm were observed from the P L spectra of the five sam ples.It concludes that the violet peak may correspond to the exciton emission and the blue peak is attributed to the interstitial zinc (Zn i ).K ey w ords :ZnO film ;RF magnetron sputtering ;X 2ray diffraction ;photoluminescence EEACC :2550B0 引言自从1997年Z.K.T ang 等人[1]发现ZnO 薄膜具有紫外受激发射的性质以来,ZnO 薄膜很快成为继ZnSe 和G aN 之后新的短波长半导体材料的研究热点[223]。
ZnO荧光薄膜的发光机理研究
电性，以承受较高的电流密度；（3）低的放气率，不能释放有害于阴极的
气体。ZnO：Zn 具有较低的阈值电压（几伏 ~ 十几伏）和较高的发光效
率，同时它的放气率较低，导电、导热性能良好，并且是一种非常稳定的
氧化物，因而 ZnO 作为样机荧光薄膜必然会具有良好的工作特性。
１． ＺｎＯ 绿光的发光机制
+
1.1 单个电离的氧空位 VO与价带之间的复合跃迁
宽度 3.2eV，同时由于人们普遍所认为 VO 为浅能级的施主，作者判定
VZn 为受主，从而推断出绿光来自于电子从浅能级施主 VO 到浅能级受
主 VZn 之间的跃迁。
1.3 锌填隙 Zni ZnO 的绿光的发射源于 ZnO 中的锌填隙也是较为普遍的一种观
点。例如：M.Liu[7]等人通过研究压缩的多晶粉体 ZnO 的阴极射线发光谱
论，则应减少薄膜中氧的含量。所以，可见薄膜绿光的发光机理仍需进
一步的研究。
２． 其它光的发光机制
除了蓝 - 绿光的发射外，ZnO 薄膜紫外光的发射也是人们关注的
焦点。然而不同于蓝 - 绿光的是紫外光的发光机理得到了人们的共识，
即：紫外光源于带边激子的复合[9,10]，其发光强度受薄膜结晶质量的影
响，结晶质量好的薄膜发射的紫外光的强度高。
此外，在研究 ZnO 薄膜的发光过程中，人们发现 ZnO 还可发射红
光、橙光、黄光和紫光。对于这些谱带的解释为：ZnO 红光与橙光与富氧
的 ZnO 结构[11]或与沉积过程中形成的自然缺陷[12]有关。黄光的发射与过
剩的氧形成的氧填隙[7]、或者与一种 ZnO2 的配比结构[3]有关。紫光来自 于晶界产生的辐射缺陷能级与价带之间的跃迁[13]。
tin orbital）计算 ZnO 中的几种本征缺陷：氧空位 VO、锌空位 VZn、氧填隙 Oi、锌填隙 Zni 以及氧位错缺陷 OZn 的能级如图 1 所示。计算得到从导带 底到 OZn 能级的能量差为 2.38eV，与绿风的能量大致相等，导带底与 Oi 的能量差为 2.28eV，也近似等于绿光的能量，但由于氧离子的半径
脉冲激光沉积PLD法生长纳米ZnO薄膜的探索
72材料导报2008年5月第22卷专辑X脉冲激光沉积(PL D)法生长纳米Z nO薄膜的探索仇旭升1，谢可可1，孔明光2，汪壮兵1，刘炳龙1，马渊明1，章伟1，梁齐1 (1合肥工业大学理学院，合肥230011；2中国科学院合肥固体物理研究所材料物理重点实验室，合肥230031)摘要在Si衬底上用脉冲激光沉积法生长C轴取向高度一致的Z nO纳米薄膜。
实验制备Z nO纳米结构，其颗粒尺寸的控制是关键。
通过改变衬底温度(400～700℃)和沉积时间，获得不同的Z no纳米结构。
SE M观察，在600"C时颗粒均匀且间隔明显，且该薄膜结构为不连续膜，这与其他衬底温度下所形成的薄膜结构有很大差异。
X R D显示，600～700℃结晶良好。
关键词纳米薄膜PL D X R DS t udy of Z nO N a no Fi l m s P r e par e d by Pul s ed L a se r D eposi t i onQ I U X us hen91，X I E K ekel，K O N G M i ngguan92，W A N G Z hua ngbi n91，L I U B i ngl on91，M A Y uanm i n91，Z H A N G W e i l，L I A N G Q i l(1Sc hool of Sci ence，H ef ei U ni ve r si t y of T e chnol ogy，H e f e i230009；2K e y Labor at or y of M at er i a l s Phys i cs，I ns t i t ut e of Sol i d St at e P hy si c s，C h i ne se A cad em y of Sci e nces，H ef ei230031)A b s t r act C-ax i s or i en t ed Z n0na nof i l m s ar e pr ep ar e d o n s i l icon subst r at es by pul sed-l aser dep osi t i on(PL D)．T he s ize cont r ol of Z n Ona nof i l m s i s t he key of t he expe r i m ent．T he di f f er ent Z n0na nost r uc t ur e s ar e got by changi ngt he subst r at e t e m per at ur e and depos i t i on t i m e,The SE M i m a ge s ho w s t hat gr a i ns of Z n0na nof i l m s ar e di st r i but ed w i t hgoo d uni f or m i t y a nd di s ti nct i nt erval s w he n T|i S l ocat ed a t600℃and i t i s a di scont i nuous f i l m w h i c h i S m u ch di f f er entf r o m ot h er f i l m s．The r es u l t s of X-r ay di f f r act i on s how t hat t he nano er yst al l i ne Z no t hi n fi l m s ha ve a good cr yst als t r uc t ur e w hen丁I i S bet w een600℃a nd700℃．K ey w or ds nanof i l m s。
ZnO薄膜的最新研究进展
ZnO 薄膜在可见光区域透射率可达 90 % ,电阻率可降至 10 - 4Ω·cm ,是一种理想的透明导电薄膜 。N. Benramdane 等人详
Ξ 基金项目 :国家重大基础研究项目基金资助项目 ( G20000683206) 收稿日期 :2001212213 通讯联系人 :吕建国
masanohu研究了zn薄膜的光学特性透射率在80左右且随keshmiri进一步指出氢化对薄膜的透射率没有显著影响薄膜禁带宽度随组分的变化fighebandgapenergrymgcontental含量对azo薄膜电学性能的影响figelectricalpropertieshinfilmhealcontentzno薄膜在压电和介电方面也具有优良的性能压电系数510在sol2gel的生长技术中随薄膜沉积温度的升高介电常数增大但超过600反而降zno薄膜紫外受激发射zno在紫外波段存在着受激发射是其显著优点虽然在多年前便报道了低温下电致泵浦zno体材料的紫外受激发射但随着温度的升高发射强度迅速淬灭
ZnO 六方 0. 325
0. 521 81. 38 5. 67 1975
2. 9
4. 75 3. 3
GaN 六方 0. 319
0. 519 83. 73 6. 10 1050 5. 59
3. 17 3. 4
图 2 ZnO 薄膜表面二维 AFM 图像 Fig 2 Two2dimension AFM image of ZnO t hin film ZnO 晶体室温禁带宽度约为 3. 3eV[3] ,是典型的直接带隙宽带 半导体。也有报道 ,其禁带宽度为 3. 1eV[4] 、3. 2eV[5] ,一般认为这 是由生长应力 、热失配应力[6 ] 和掺杂原子[7 ] 引起的 , V. Srikant 等人的研究表明 ,在 3. 15eV 时存在着价带 、施主能级间的跃 迁 ,因此测出的 3. 1eV 、3. 2eV 实质上不是禁带宽度[3 ] 。ZnO 薄 膜中掺 入 Mg、Cd 能 有 效 调 节 禁 带 宽 度 , 图 3 所 示 为 Zn1 - x Mg xO 混晶薄膜禁带宽度随组分的变化[8 ] , x = 0 时为 3. 3eV , x = 0. 46 时增至 4. 20eV ,而 ( ZnO) x ( CdO) 1 - x 薄膜 ,其禁带宽度 则可在 2. 29eV ( x = 0) 至 3. 3eV ( x = 1) 之间变化[9 ] 。
电沉积法制备ZnO薄膜的研究进展
电沉积法制备ZnO薄膜的研究进展摘要：ZnO是一种新型的宽禁带氧化物半导体材料，室温下的禁带宽度为3.37 eV，激子结合能为60meV。
因ZnO薄膜同时具有光电、压电、电光等化学物理性能，使其在紫外发射器件、压电器件、太阳能电池、透明导电膜等诸方面都具有广泛的应用前景。
本文主要介绍了ZnO薄膜的性质、制备方法、应用及研究进展。
其中，电化学沉积制备工艺由于其突出的优点，受到广泛的关注，本节重点介绍了电沉积ZnO薄膜的原理。
关键词: ZnO薄膜、电化学沉积、研究进展Progress in electrochemical Deposition of ZnO thin filmsAbstract：ZnO, a wide-band gap (3.37 eV) semiconducting oxide with large exciton binding energy (60 meV) at room temperature, has great applications in the ultraviolet-beam device, piezoelectricity device, solar cells, transparent conductive film etc, because of its properties such as photoelectricity, piezoelectricity, electrooptics physical chemistry performance. In this paper, properties, Preparing techniques, applications and research progress of the ZnO thin film are introduced in detail. Electrochemical Deposition (ECD) has triggered people’s great interests resulting from its prominent merit. Herein, we mainly report ECD technique.Key words: ZnO thin flim、ECD、research progress1 引言ZnO是一种重要的功能材料和新型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料。
氧分压对ZnO薄膜结构与光学性能的影响
氧分压对ZnO薄膜结构与光学性能的影响
氧分压对ZnO薄膜结构与光学性能的影响
采用直流磁控溅射法在不同氧分压下制备了ZnO薄膜.用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)仪、荧光分光光度计、紫外-可见分光光度计对样品进行检测.实验表明,氧分压对ZnO薄膜的结构与光学性能影响很大.在样品的光致发光谱中,均只发现了520 nm附近的绿色发光峰,该峰随着氧分压的增大而增强.不同氧分压制备的ZnO薄膜中,氧分压为0.25Pa的样品结晶性能最好,透过率最高.
作者：杨兵初刘晓艳高飞 YANG Bing-chu LIU Xiao-yan GAO Fei 作者单位：中南大学,物理科学与技术学院,长沙,410083 刊名：半导体技术ISTIC PKU英文刊名：SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY 年，卷(期)：2007 32(6) 分类号：O484.4 O484.5 关键词：直流磁控溅射 ZnO薄膜氧分压。
关于脉冲激光沉积(PLD)薄膜技术的探讨
《表面科学与技术》课程作业关于脉冲激光沉积（PLD）薄膜技术的探讨摘要：薄膜材料广泛应用在半导体材料、超导材料、生物材料、微电子元件等方面。
为了得到高质量的薄膜材料，科学家一直在寻找和探讨各种新的技术，脉冲激光沉积（Pulsed Laser Diposition PLD）薄膜技术是近年来快速发展起来的使用范围最广，最有前途的制膜技术之一。
本文介绍了脉冲激光沉积(PLD)薄膜技术的原理及特点，并与其他薄膜技术进行对比，探讨衬底温度、靶材与基底的距离、退火温度、靶材的致密度、激光能量、激光频率等参数对薄膜质量的影响。
分析了脉冲激光沉积技术在功能薄膜材料中的应用和研究现状，并展望了该技术的应用前景。
关键字：脉冲激光沉积（PLD）等离子体薄膜技术前言上世纪60年代第一台红宝石激光器的问世，开启了激光与物质相互作用的全新领域。
科学家们发现当用激光照射固体材料时，有电子、离子和中性原子从固体表面逃逸出来，这些跑出来的粒子在材料附近形成一个发光的等离子区，其温度估计在几千到一万度之间，随后有人想到，若能使这些粒子在衬底上凝结，就可得到薄膜，这就是最初激光镀膜的概念。
最初有人尝试用激光制备光学薄膜，这种方法经分析类似于电子束打靶蒸发镀膜，没有体现出其优势来，因此这项技术一直不被人们重视。
直到1987年，美国Bell实验室首次成功地利用短波长脉冲准分子激光制备了高质量的钇钡铜氧超导薄膜，这一创举使得脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，简称PLD)技术受到国际上广大科研工作者的高度重视，从此PLD成为一种重要的制膜技术]1[1。
由于脉冲激光沉积技术具有许多优点，它被广泛用于铁电、半导体、金刚石(类金刚石)等多种功能薄膜以及生物陶瓷薄膜的制备上，可谓前途光明。
1. PLD 技术装置图及工作原理1.1 PLD系统脉冲沉积系统样式比较多，但是结构差不多，一般由准分子脉冲激光器、光路系统(光阑扫描器、会聚透镜、激光窗等)；沉积系统(真空室、抽真空泵、充气系统、靶材、基片加热器)；辅助设备(测控装置、监控装置、电机冷却系统)等组成]2[2，如图1-1所示。
电沉积法制备ZnO薄膜的结构与光电性能研究
收稿日期:2008209220 基金项目:国家“八六三”计划基金资助项目(2006AA03Z219);南京航空航天大学引进人才基金资助项目(S0417061);长江学者和创新团队发展计划基金资助项目(IR T0534) 作者简介:李丹(19792),男(苗族),贵州省大方县人,工学硕士,主要从事光电功能材料的研究。
通讯作者:沈鸿烈,理学博士,南航特聘教授,博导,E 2mail :hlshen @ 。
文章编号:100422474(2009)0320414204电沉积法制备ZnO 薄膜的结构与光电性能研究李 丹,沈鸿烈,鲁林峰,黄海宾,李斌斌(南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏南京210016) 摘 要:以硝酸锌和硝酸钾混和溶液为电解液,采用两电极体系在SnO 2∶F (FTO )片和p 2Si (100)衬底上用不同沉积电压制备了c 轴取向的ZnO 薄膜。
用X 2射线衍射、扫描电子显微镜和分光光度计分析了薄膜的相结构,晶粒尺寸和光吸收特性。
发现薄膜的(002)衍射峰强度随着沉积电压的增加而显著增强;薄膜中晶粒为典型的六方柱状结构,且基本与衬底垂直,晶粒尺寸为200～400nm ;薄膜的光学禁带宽度为3.34eV 。
光照时,ZnO/Si 异质结二极管呈明显的光生电流效应。
关键词:ZnO 薄膜;电沉积;异质结二极管;光生电流效应中图分类号:O472;TN304.2;TN311.4 文献标识码:AStudy on the Structural and Optoelectronic Properties ofZ nO Films F abricated by Electro 2depositionL I Dan ,SHEN H ong 2lie ,L U Lin 2feng ,HUANG H ai 2bin ,L I Bin 2binCollege of Materials Science and Technology ,NUAA ,29Yudao Street ,Nanjing 210016,China ) Abstract :A two 2electrode electro 2deposition system was employed to fabricate c 2axis oriented ZnO films on aFTO wafer and p 2Si (100)substrate at different voltages by using the Zn (NO 3)/KNO 3mixed solution as the electro 2lyte.The X 2ray diff raction ,scanning electron microscopy ,and optical spectroscopy were used to analyze the struc 2tural properties ,the grain size ,and the absorption properties of the films.It was found that the (002)peak intensi 2ty in XRD patterns increased apparently with the deposition voltage increasing.The grain shape was typically hexa 2gonal with the grain size between 200～400nm ,which was almost vertical to the substrate.An optical band gap of3.34eV in the films was obtained f rom the absorption spectra.Under light illumination ,the ZnO/Si heterojunction diode presented a remarkable photocurrent effect.K ey w ords :zinc oxide film ;electrodeposition ;heterojunction diode ;photocurrent effect 氧化锌(ZnO )是具有六方纤锌矿结构的II 2V I 族直接带隙半导体材料,室温禁带宽度为3.37eV ,激子结合能高达60meV ,室温下不易热激发。
ZnO薄膜的最新研究进展
文章编号:100129731(2002)0620581203ZnO 薄膜的最新研究进展Ξ吕建国,叶志镇(浙江大学硅材料国家重点实验室,浙江杭州310027)摘 要: ZnO 是一种新型的Ⅱ～Ⅵ族半导体材料。
文章详细介绍了ZnO 薄膜在其晶格特性、光学、电学和压电性能等方面的研究,特别是ZnO 薄膜的紫外受激辐射特性,另外,对ZnO 的p 型掺杂和p 2n 结特性的最新进展也作了探讨。
关键词: ZnO 薄膜;晶格特性;光电性能;p 型掺杂中图分类号: TN304.21;O472 文献标识码:A1 引 言ZnO 是一种新型的Ⅱ～Ⅵ族宽禁带化合物半导体材料,与G aN 具有相近的晶格常数和禁带宽度,原料易得廉价,而且相对于G aN ,ZnO 具有更高的熔点和激子束缚能,其机电耦合性能也十分优异。
此外,ZnO 薄膜的外延生长温度较低,有利于降低设备成本,抑制固相外扩散,提高薄膜质量,也易于实施掺杂。
ZnO 薄膜所具有的这些优异特性,使其在表面声波、太阳能电池等诸多领域得到了广泛的应用;随着ZnO 光泵浦紫外受激辐射的获得和p 型掺杂的实现,ZnO 薄膜作为一种新型的光电材料,在紫外探测器、L EDs 、LDs 等领域也有着巨大的发展潜力。
1999年10月,在美国召开了首届ZnO 专题国际研讨会,会议认为“目前ZnO 的研究如同Si 、G e 的初期研究”。
现在,世界上逐渐掀起了ZnO 薄膜研究开发应用的热潮,文章详细介绍了ZnO 薄膜在其特性方面的最新研究进展。
2 ZnO 薄膜的晶格特性ZnO 晶体为六方纤锌矿结构,每个锌原子与4个氧原子按四面体排布,如图1所示。
晶格常数为a =0.325nm ,c =0.521nm [1],其相应参数如表1所示。
但ZnO 晶体难以达到完美的化学计量比,天然存在着锌间隙与氧空位[2],为极性半导体,呈n 型。
图1 纤锌矿ZnO 晶体结构Fig 1Microstructure of ZnO crystal 优质的ZnO 薄膜具有c 轴择优取向生长,图2为本实验室利用直流反应磁控溅射技术制得的c 轴取向ZnO 薄膜的二维AFM 形貌图,表面由许多近六边形紧密排列而成,其对角线长约150nm 。
脉冲激光沉积ZnO薄膜动力学过程研究
的变 化关 系 ， 面我 们将 作详 细 论述 。 下
２ 数 值 模 拟
以 ９ ． ９ 的 纯 Ｚ Ｏ 为 靶 材 ， 用 激 光 源 的 波 长 ２ ８ａ 的 Ｋｒ ９９ ９ ｎ 选 ４ ｍ Ｆ准 分 子 激 光 器 ， 宽 为 ４ １ ， 热 脉 ５Ｉ 比 Ｓ
＊ 收 稿 日期 ：２ ０ ～ Ｕ 一２ ０７ ｌ 作 者 简 介 ：胡 春 香 ， ， 西 高 安 人 ， 西 蓝 天 学 院教 师 ， 士 。 女 江 江 硕
Ａｕ ２ ０ ｇ ０ ８
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ ３ Ｉ１
脉冲激光沉积ＺＯ薄膜动力学过程研究 ｎ
胡春 香 ， 瑜 之 吴
（ 西蓝天学院 ， 西 南昌 ３０９ ） 江 江 ３ ０ ８
摘
要 ：利 用 有 限 差 分 法 对 脉 冲 激 光 沉 积 （ Ｌ ） 术 制 备 Ｚ Ｏ 薄 膜 过 程 中 等 离 子 体 在 等 温 和 绝 热 两 个 阶 段 的 速 度 Ｐ Ｄ技 ｎ
迅 速 膨 胀 ； 离 子 体 在 基 片 表 面 沉 积 成 膜 。 此 主 要 讨 论 等 离 子 体 的 空 间 膨 胀 过 程 和 等 离 子 体 在 基 片 表 等 在 面 的成膜 过程 。 将 等 离 子 体 的 空 间 膨 胀 过 程 分 成 两 个 阶 段 ：ｔ ｒ 等 温 膨 胀 ）和 ｔ ｒ 绝 热 膨 胀 ）， 中 ｒ 激 光 脉 ≤ （ ＞ （ 其 为
中圈 分 类 号 ：０ ６ ４９ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ —４ ６ （ ０ ８ ０ —０ ６ —Ｏ ０７ ２０２０）３ ０ ｌ ４
０ 引 言
近 年 来 ， 着 高 功 率 脉 冲 激 光 技 术 的 发 展 ， 冲 激 光 制 膜 技 术 （ 称 ＰＬＤ 技 术 ）日 益 显 示 了 其 独 特 随 脉 简 的优 越 性 ： 膜 沉 积 速 率 高 ， 片 衬 底 温 度 低 ， 膜 的 组 分 与 靶 材 组 分 极 为 相 似 ［ ］ 。人 们 在 实 验 上 利 薄 基 薄 １等 用 脉 冲激 光 制 膜 技 术 已 成 功 制 备 了许 多 薄 膜 ， 在 理 论 上 对 脉 冲激 光 制 膜 技 术 的 成 膜 机 理 等 研 究 较 少 。 但
不同氧气分压下的MOCVD法氧化锌薄膜生长
第２５卷 第５期２０１０年１０月液 晶 与 显 示Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｎｄ ＤｉｓｐｌａｙｓＶｏｌ．２５，Ｎｏ．５Ｏｃｔ．，２０１０文章编号：１００７－２７８０（２０１０）０５－０７０６－０３不同氧气分压下的ＭＯＣＶＤ法氧化锌薄膜生长赵春雷，杨小天＊，王 超，唐 魏，杨 佳，高晓红（吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院，吉林长春 １３００２１）摘 要：采用金属有机化学气相沉积方法，在不同氧气分压下，对硅衬底氧化锌薄膜材料生长做了研究。
Ｘ－射线衍射方法对氧化锌薄膜的结晶质量做了比对测试。
测试结果表明薄膜是沿着（００２）方向生长。
利用光荧光谱测试分析，对薄膜的发光特性做了研究，研究发现随着氧气分压增大，薄膜的紫外发光峰增强。
通过原子力显微镜测试，对薄膜的表面形貌做了观察，发现结晶颗粒的平均粗糙度、均方根，以及平均直径随着氧气分压的增大呈现逐渐变小的趋势。
关 键 词：氧化锌；薄膜；ＭＯＣＶＤ中图分类号：ＴＮ ３０４．２＋１ 文献标识码：ＡＺｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ Ｆｉｌｍｓ Ｇｒｏｗｔｈ ｂｙ ＭＯＣＶＤ ＵｎｄｅｒＤｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｏｘｙｇｅｎ Ｐａｒｔｉａｌ ＰｒｅｓｓｕｒｅｓＺＨＡＯ Ｃｕｎ－ｌｅｉ，ＹＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｔｉａｎ＊，ＷＡＮＧ Ｃｈａｏ，ＴＡＮＧ Ｗｅｉ，ＹＡＮＧ Ｊｉａ，ＧＡＯ Ｘｉａｏ－ｈｏｎｇ（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＺｎＯ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｇｒｏｗｎ ｏｎ Ｓｉ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｂｙ ｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏ－ｓｉｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｘｙｇｅｎ ｐａｒｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｓｈａｒｐ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｐｅａｋｓ ｆｏｒ ＺｎＯ（００２）ｂｙ Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｌｍｓｗｅｒｅ ｈｉｇｈｌｙ ｃ－ａｘｉｓ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｔｈｅ ＺｎＯ ｆｉｌｍｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．Ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅＺｎＯ ｆｉｌｍｓ ｇｒｅｗ ｉｎ ａ ｃｏｌｕｍｎ－ｂｙ－ｃｏｌｕｍｎ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｏｔ－ｍｅａｎ－ｓｑｕａｒｅ ｖａｌｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｉｌｍ－ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｘｙｇｅｎｐａｒｔｉａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＺｎＯ；ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ；ＭＯＣＶＤ 收稿日期：２０１０－０４－０２；修订日期：２０１０－０５－１３ 基金项目：教育部优秀人才支持计划项目（Ｎｏ．０５－０３２６）；国家自然科学基金项目（Ｎｏ．６０８７６０１３）；长春市科学技术局项目（Ｎｏ．２００６３０３）；吉林省教育厅“十一五”科学技术研究计划项目（Ｎｏ．２００９４０７）作者简介：赵春雷（１９８０－），男，吉林梅河口人，硕士研究生，讲师，主要从事ＺｎＯ薄膜材料生长方面的研究。
溅射沉积ZnO薄膜结构和光学性能研究
溅射沉积ZnO薄膜结构和光学性能研究摘要ZnO是一种重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，因其优异的光学、电学性质而得到广泛的应用，因而ZnO薄膜的制备和研究具有重要意义。
本文采用磁控溅射法制备ZnO薄膜，再以X射线衍射仪、扫描电子显微镜和紫外-可见透射光谱仪对所沉积薄膜样本的结构和光学性能进行分析。
主要研究了工作气压、Ar/O2比、溅射时间以及退火温度对ZnO薄膜样品性质的影响。
结果发现，随着空气退火温度上升，ZnO薄膜结晶性和择优生长特性都明显升高，所得薄膜在可见光范围内有高光透过率，同时退火处理也提高了ZnO薄比为膜致密度。
磁控溅射沉积ZnO薄膜最佳参数为：工作气压可为0.5Pa，Ar/O24:1。
同时适当温度退火可改善ZnO薄膜质量。
关键词：ZnO薄膜，磁控溅射，溅射参数，退火AbstractZnO is an important Ⅱ- Ⅵcompound semiconductor material, and with its excellent optical and electrical properties, it is widely used. So the preparation and study of ZnO thin films is becoming more and more important.In this paper, ZnO thin films were prepared by magnetron sputtering. And then we use X-ray diffraction, scanning electron microscopy and UV - visible transmittance spectroscopy to analyze the structure and optical properties of the thin film. In this paper, we analyzed the influence of deposition pressure, Ar /O2ratio, sputtering time and annealing temperature on the properties of ZnO thin film samples.The result show that with the increasing of the annealing temperature, the crystallinity and preferential orientation of ZnO thin film increased obviously. And the films has a higher light transmittance in the visible range. The annealing treatment also increased the density of the ZnO thin films . The most suitable magnetron sputtering parameter could be :the working pressure is 0.5Pa, the Ar / O ratio is 4:1. Besides, the proper temperature annealing can improve the quality of ZnO films.Keywords：ZnO films，Magnetron sputtering，Deposition parameters,Annealing目录1 绪论 (5)1.1 ZnO的结构特点及其性质 (5)1.1.1 ZnO薄膜的结构特点 (5)1.1.2 电学性质 (7)1.1.3光学性质 (7)1.1.4 压电性质 (7)1.1.5 气敏性质 (7)1.1.6 压敏性质 (8)1.2 ZnO薄膜的制备方法 (8)1.2.1 磁控溅射法 (8)1.2.2溶胶凝胶法 (8)1.2.3脉冲激光沉积 (8)1.2.4金属有机化合物气相沉积 (9)1.2.5 分子束外延法 (9)1.3 研究目的 (9)2 溅射基本原理 (10)2.2 溅射粒子的迁移 (11)2.3 溅射粒子在基片上成膜 (11)2.4 薄膜生长过程 (11)2.5 磁控溅射镀膜特点 (12)3实验设计 (14)3.1 ZnO薄膜的制备 (14)3.2 分析测试 (15)3.2.1 X射线衍射仪（XRD） (15)3.2.2 扫描电镜（SEM） (15)3.2.3 UV-VIS分光光度计 (15)4 结果与讨论 (17)4.1不同工作气压下XRD分析 (17)4.2 不同Ar/O2比下XRD分析 (17)4.3不同时间下沉积的XRD分析 (18)4.4 不同退火温度下XRD分析 (19)4.5不同温度退火的透射光谱图分析 (20)4.6 扫描电镜（SEM）形貌分析 (21)5 结论 (23)参考文献 (24)致谢 (26)1 绪论半导体材料作为制作光电子器件的基础材料,在通信、网络技术、计算机和信息家电等多个行业被广泛的应用,半导体材料的发展及应用已经成为衡量一个国家经济水平、科技进歩和国防实力的重要标准。
脉冲激光沉积氧化锌及其相关多层膜的研究（可编辑）
脉冲激光沉积氧化锌及其相关多层膜的研究大连理工大学博士学位论文脉冲激光沉积氧化锌及其相关多层膜的研究姓名:霍炳至申请学位级别:博士专业:微电子学与固体电子学指导教师:胡礼中20090601人连理一:大学博十学位论文摘要是一种重要的宽带隙半导体氧化物材料。
其较大的禁带宽度.和激子束缚能以及较好的化学稳定性,使其成为制造光电子器件的理想材料。
脉冲激光沉积系统是一种相对先进的薄膜生长设备,其优点之一是可以精确地把需要生长的材料的厚度误差控制在一个极小的范围。
这使得脉冲激光沉积非常适合用于研究结构复杂的薄膜。
本论文的研究工作主要着眼于利用脉冲激光沉积方法生长及其他相关多层膜材料,研究其生长条件、性能和在制备光电子器件中潜在的应用价值。
论文的研究结果概括如下:.在蓝宝石衬底上℃、氧压的条件下生长出/超晶格。
超晶格的光致发光谱的近带边发射峰的峰位在..的范围内可控。
从强度归一化的低温光致发光谱中可以观察到激子束缚能随着光学声子伴随的自由激子峰的强度变大而减小。
将超晶格生长在℃、氧压条件下沉积的缓冲层上,可以提高其质量,且具有纳米针形貌,其光谱具有垂直于衬底向上的方向性,该方向性与激光角度没有关系。
这对研究微谐振腔有一定的应用价值。
.在蓝宝石衬底上℃、氧压的条件下生长出/多层膜反射器。
/反射器是由交替生长九个周期的和构成的。
实验表明,通过改变生长时间,可以控制/反射器的反射波长。
.在蓝宝石衬底上生长一层较薄的或者缓冲层,通过改变缓冲层的厚度,就可以极大地改变生长在缓冲层上面的层的形貌,并且观察到了纳米结构。
同时通过改变缓冲层的厚度和的生长速度,得知纳米结构必须在极薄缓冲层与较慢的生长速度条件下才能成功制备。
用作为缓冲层生长出来的纳米柱方向凌乱,比较适合应用在太阳能电池领域。
.成功制备多孔。
在生长速度慢,生长温度高,设备的真空度高的条件下先生长一层极薄的缓冲层,然后再生长,便可成功制备多孔。
孔洞本身由构成,而孔洞的底部是。
脉冲激光沉积 ZnO 薄膜的微结构及发光性能
脉冲激光沉积 ZnO 薄膜的微结构及发光性能
李建华;勾治践;范希梅
【期刊名称】《西南交通大学学报》
【年(卷),期】2006(041)006
【摘要】用波长为1 064 nm的Nd-YAG激光器,在氧的活性气氛中,通过激光烧蚀Zn靶在Si(111)衬底上获得ZnO薄膜.用电子显微镜(XRD和FESEM)表征ZnO 薄膜的结构和表面形貌,用光致发光谱表征光学性质.实验中观察到紫外光发射和深能级的黄绿光发射.紫外光发射是ZnO薄膜的固有性质,深能级光发射是由于存在氧反位缺陷(OZn).紫外光发射和深能级光发射的强度依赖于薄膜的表面粗糙度.表面粗糙度在nm级范围内的ZnO薄膜可以获得高强度的紫外光.
【总页数】4页(P709-712)
【作者】李建华;勾治践;范希梅
【作者单位】长春工业大学机电工程学院,吉林,长春,130012;长春工业大学机电工程学院,吉林,长春,130012;西南交通大学材料科学与工程学院,四川,成都,610031【正文语种】中文
【中图分类】O462.1
【相关文献】
1.沉积时间对脉冲激光沉积法制备ZnO薄膜性能的影响 [J], 贾芳;曹培江;曾玉祥
2.脉冲激光沉积(PLD)法生长高质量ZnO薄膜及其发光性能 [J], 边继明;杜国同;胡礼中;李效民;赵俊亮
3.用脉冲激光沉积方法制备的ZnO薄膜的结构及光致发光特性 [J], 李少兰;张立春;张忠俊;黄瑞志
4.脉冲激光沉积Eu3+掺杂ZnO薄膜及发光性能研究 [J], 刘欣;黄泽平;李士玲;刘昌勋;黄玉昊;岳盈桦;王巍;邓凤敏
5.脉冲激光沉积制备ZnO薄膜及其发光性质研究 [J], 王璟璟;李清山;陈达;孔祥贵;郑学刚;张宁;赵波
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ZnO薄膜的脉冲激光沉积及性能研究
ZnO薄膜的脉冲激光沉积及性能研究摘要：本文采用脉冲激光沉积（PLD）技术制备了ZnO薄膜，并对其晶体结构和光学性能进行了研究。
结果表明，制备的ZnO薄膜呈现出优异的晶体结构和光学性能，具有较高的透过率和较低的发射率。
此外，通过改变沉积参数，我们还发现PLD技术可以用于控制ZnO薄膜的厚度和表面形貌。
关键词：脉冲激光沉积；ZnO；薄膜；晶体结构；光学性能正文：引言由于其广泛的应用前景和特殊的电学、光学和机械性能，氧化锌（ZnO）薄膜已成为材料科学中的研究热点之一。
近年来，脉冲激光沉积技术（PLD）已成为制备ZnO薄膜的一种重要方法，其优点包括制备的薄膜质量高、控制精度高、工艺简单等。
本文采用PLD技术制备了ZnO薄膜，并对其晶体结构和光学性能进行了研究。
实验采用ZnO陶瓷靶材在真空环境下进行脉冲激光沉积，具体的工艺参数如下：激光功率250mJ、重复频率10Hz、沉积时间30min、靶材-基片距离50mm、氩气气压5Pa、基片温度250°C。
采用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）和扫描电子显微镜（SEM）等分析方法对制备的ZnO薄膜进行表征，并采用紫外-可见分光光度计（UV-Vis）对其光学性能进行测试。
结果与讨论XRD衍射图谱显示，制备的ZnO薄膜在(002)平面上的峰值为34.4°，表明其具有典型的Wurtzite晶体结构。
拉曼光谱图谱进一步证实了其晶体结构，并发现其晶格常数与已知的ZnO单晶相符。
此外，SEM图像表明，制备的ZnO薄膜表面平整、致密，具有优异的表面形貌和粘附性。
UV-Vis分光光度计测试结果表明，制备的ZnO薄膜具有较高的透过率和较低的发射率，表明其具有良好的光学透明性。
此外，通过改变沉积参数，我们还发现PLD技术可以用于控制ZnO薄膜的厚度和表面形貌。
结论本文采用PLD技术制备了ZnO薄膜，并对其晶体结构和光学性能进行了研究。
结果表明，制备的ZnO薄膜呈现出优异的晶体结构和光学性能，具有较高的透过率和较低的发射率。
超声电化学沉积ZnO薄膜及其机理研究
1
引
言
3
3. 1
结果与讨论
ZnO 是一种直接带隙的半导体材料 , 激子束缚能 为 60m eV, 室温下的禁带宽度为 3. 37eV, 具有优异的 光电性能 , 可用于压电传感器、 太阳能电池、 短波长发 光二极管等方面, 在光电子器件领域里有着重要应用 前景 [ 1, 2] 。 ZnO 的制备方法很多 , 主要有化学气相沉 积法 ( CVD) [ 3] 、 脉冲 激光沉积 法 ( PL D) [ 4] 、 磁控溅射 [ 5] [ 6] [ 7] 法 、 水热 法 、 溶胶 凝胶法 、 电化 学沉 积[ 8, 9] 等。 到目前为止将超声振荡引入电化学沉积制备 ZnO 的 方法 , 未见文献报道。 超声技术是利用超声空化作用产生的高温高压对 化学反应进行干预的新兴学科。超声空化可刺激新相 的形成, 消除局部浓度不匀, 促进非均相界面间的扰动 和相界面更新, 从而加速界面间的传质和传热过程 , 提 高反应速度, 这些作用在一定程度上改变了物化反应 [ 10] 的环境, 为制备特殊形貌的材料提供了平台 。 将超声技术与电化学沉积法相结合 , 利用超声电 化学沉积制备出麦粒状结构的 ZnO, 这种结构目前为 止未见报道。文中还比较了加超声振荡和未加超声振 荡制备的 ZnO 薄膜在不同沉积电压下形貌的差异 , 退 火前后透光率的变化幅度 , 并详细地讨论了超声电化 学沉积 ZnO 生长机理。
1638
功
能
材
料
*
2008 年第 10 期 ( 39) 卷
超声电化学沉积 ZnO 薄膜及其机理研究
郭 艳, 沈鸿烈, 尹玉刚, 李斌斌, 高
摘 要: 采用 超声电 化学沉 积生长 了 c 轴取 向的 ZnO 薄膜 , 并与常规电化学沉积生长的 ZnO 薄膜进行 了比较。 采用 X 射线 衍射 ( XRD) 、 扫 描电子 显微镜 ( SEM) 、 紫外 可见分光 光度计研 究了样品 的晶体结 构、 表面形貌以及光学性能。 结果表明 , 常规电化学沉 积生长的 ZnO 薄膜为纳米柱状结构, 随着沉积电压的 增加 , c 轴取向率呈极值变化, 热退火可提高这种薄膜 的透射率 。超声电化学沉积生长的 Z nO 薄膜, 在1. 5V 低沉积电压下仍为柱状结构, 但比未加超声电化学法 沉积的样品具有更好的 c 轴取向, 沉积电压增加到 2. 0 V 时样品则变为麦粒状结构 , 热退火后其透射率几乎 不变 。 关键词: ZnO 薄膜 ; 超声电化学沉积; c 轴取向 ; 麦粒 状结构; 透射率 中图分类号: T Q132. 41; O657. 32 文献标识码: A 文章编号 : 1001 9731( 2008) 10 1638 03
P型ZnO薄膜的脉冲激光沉积法制备及其特性研究
P型ZnO薄膜的脉冲激光沉积法制备及其特性研究氧化锌(ZnO)是一种重要的直接带隙宽禁带半导体材料,其室温下的禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能为60 meV,理论上可以实现室温下的紫外光受激发射,这使其有望成为制造紫外光电器件的理想材料。
但是目前Zn0同质结发光二极管(LED)和激光二极管(LD)仍处于研究阶段,远未达到商业化应用水平,其中的一个重要原因就是高质量的p型ZnO难于制备。
针对这一情况,本文采用脉冲激光沉积(PLD)技术对p型ZnO薄膜的制备进行了较为细致的研究,主要研究内容概括如下：在不同生温度下制备了四组未掺杂ZnO薄膜,发现55℃生长的薄膜结晶质量和发光特性最好。
这表明,在我们的实验条件下,550℃是生长ZnO薄膜较为理想的温度。
制备了掺Sb的ZnO薄膜,研究了退火温度和生长温度对ZnO:Sb薄膜性质的影响。
发现550℃生长、950℃退火的ZnO:Sb薄膜导电类型为p型,空穴浓度达到2.290x1017cm-3。
该样品低温PL谱出现了强烈的A0X跃迁。
通过与相同条件制备的未掺杂ZnO 薄膜低温PL谱对比,证实了A0X发光峰与Sb的掺入有关。
氧空位是Zn0中一种常见的施主缺陷,为了防止高温退火使样品中的氧原子逃逸而产生氧空位,我们在ZnO:Sb薄膜上面覆盖了一层A1N薄膜,研究了AlN层对ZnO:Sb薄膜的保护作用。
实验结果表明,在较高温度下AlN层能够减少氧原子的逃逸,对ZnO:Sb薄膜起到有效保护作用。
这有利于制备高质量p型ZnO薄膜。
制备了掺P的ZnO薄膜,研究了生长温度对ZnO：P薄膜性质的影响。
350℃和450℃生长的样品呈现p型导电性,其中450℃生长的样品具有较低的电阻率1.846Ω·cm,和较高的霍尔迁移率6.63 cm2V-1s-1。
低温PL谱测试结果显示350℃和450℃生长的样品出现了很强的A0X跃迁。
通过与相同条件制备的未掺杂ZnO薄膜低温PL谱比较,证实了ZnO：P样品PL谱中的A0X发光峰与P的掺入有关。
ZnO薄膜的电化学沉积及其性能研究
纳米材 料认 识 的提高 ， 对半 导体纳 米材料 方 面的研
究也 日益深 入． 作 为一 种信 息 时代 的新 材 料 ， 半 导 体纳米 材料 已经 被 广 泛应 用 于 催 化 、 医学 、 光学 及 功能材 料等 领域 ． 而在 半 导体 纳 米 材料 中 ， 材料 的 性质 与其形 貌 和结构关 系非 常 紧密 ， 制 备方法 与工
将 处 理好 的 Ｉ Ｔ Ｏ作 工 作 电极 ， 铂 丝 作对 电檄 ， 饱 和 甘 汞 电 极 作 参 比 电 极 ，以 ５ ０ ｒ ｅｔ ｏ ｏ ｌ ／ １
ｚ ｎ（ ＮＯ ） 和 ５ ０ ｍｍｏ ｌ ／ Ｌ（ Ｃ Ｈ ） Ｎ 为 电解 液 ， 温
备出高 质量 的 Ｚ ｎ Ｏ薄 膜 ， 表 征 了该 薄 膜 的 形 貌 和
用 Ｂ ｒ ｕ ｋ ｅ ｒ Ａ ｐ ｅ ｘ Ｉ Ｉ型 ｘ 射 线 粉 末 衍 射 仪 （ 德 国 布鲁 克 公 司 生 产 ） 对产 物 的结构 进行 表 征； Ｆ Ｅ Ｉ —
Ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ａ ． ２ ０ ０环 境 扫 描 电 子 显 微 镜 （ 荷兰 Ｆ Ｅ Ｉ 公 司 生 产） 对产 物 的形貌 进 行表 征 ． １ ． ２ ． ４ Ｚ ｎ Ｏ薄 膜 的 紫 外 可 见 吸 收 光 谱 实 验 以空 白 Ｉ Ｔ Ｏ作 参 比 ， 于 Ｌ ａ ｍｂ ｄ ａ ６ ５ ０ ｓ型 紫 外 可
， 其 中 电 沉 积
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不同氧压下脉冲激光沉积ＺｎＯ薄膜的研究
摘要:本文采用脉冲激光，在Si(001)衬底上生长ZnO薄膜，利用X射线衍射（XRD），原子力显微镜（AFM）等测试手段研究了不同氧气压力所生长的ZnO 薄膜结构特征。
研究表明：氧压不同制备的ZnO薄膜质量也不同。
在不同的氧气压力下（0Pa～50 Pa）生长ZnO薄膜，XRD表明10Pa的氧压时有较强的(002)衍射峰和较小的半高宽。
关键词:ZnO薄膜；脉冲激光沉积
1引言
近年来，短波长发光器件在信息存储，全彩色显示，照明，光催化，医疗和检测设备等方面有着越来越广泛的应用。
而半导体发光器件具有体积小，寿命长，能耗少，以及可以集成，安全方便等特点，具有很大的应用优势。
因此研制高效率的短波长半导体发光器件一直是世界各国研究人员努力的目标。
在发光材料选择上，早期人们努力的目标是SiC和ZnSe，但经过几十年研究，到现在仍然没有达到实用水平。
1990年代初期，GaN异军突起，连续取得突破，并很快走向实用[1]。
但是由于GaN生长温度过高、对设备要求苛刻从而使GaN器件成本大大提高。
因此人们从未停止过寻找新的发光材料，期望研制出性能更优、成本更低的短波长发光器件。
其中ZnO就是备选替代材料中的佼佼者。
氧化锌（ZnO）是一种直接带隙宽禁带（3.37eV）Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，具有较大的激子束缚能（60meV）,可以在室温下实现紫外光的受激发射和全色显示，是继GaN之后在半导体光电领域又一研究热点。
ZnO薄膜的制作方法很多，主要有磁控溅射法（magnetron sputtering）[2]、溶胶凝胶法（sol-gel）[3]、喷雾热解法（spay pyrolysis）[4]、分子束外延（MBE）、脉冲激光沉积（PLD）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、原子层外延生长法（ALE）等。
脉冲激光沉积是近年来发展起来的先进的薄膜生长技术，它是在高真空背景下用高能激光烧蚀ZnO靶材生成蒸发物沉积在加热衬底上生长晶体薄膜的。
本文采用脉冲激光沉积方法在Si(001)衬底上生长ZnO薄膜，讨论了不同氧压的生长条件对ZnO薄膜结构的影响；用XRD对薄膜的结晶质量进行分析；用AFM对薄膜的表面形貌进行表征；
2实验
本文采用脉冲激光沉积系统制备ZnO薄膜，纯度为99.999%的ZnO靶作为溅射靶源，靶直径为30mm，厚度为1.5mm。
衬底为单面抛光的（001）硅片，Si(001)衬底用甲苯、丙酮、乙醇依次进行标准超声清洗，然后用HF酸浸泡几分钟，最后用去离子水冲洗干净后，实验中装入沉积装置，激光源是一个波长为248nm的KrF准分子激光器。
实验时，激光的重复频率都设定为3Hz，脉冲能量为220mJ/pulse，靶到衬底的距离是4cm，激光束聚焦到光斑大约为2mm2，为了获得均匀膜层，在沉积时旋转衬底，沉积ZnO薄膜前，先将背景真空预抽到5×10-4Pa真空度，再加热Si衬底，当衬底加温到所需温度时，充入高纯氧气（99.999%）。
生长ZnO薄膜时，将激光束聚焦到高纯ZnO（99.999%）烧结靶上，生长时间都是2小时。
氧压变化时，衬底温度为600℃，退火温度为650℃，氧压分别是0、1、5、10、20、50 Pa。
继而研究沉积气压对所沉积ZnO薄膜质量的影响。
并且使用X射线衍射（Cu, Kɑ入射2θ扫描）分析不同ZnO薄膜的结晶特性；利用原子力显微镜（AFM）分析了不同ZnO薄膜的表面特性。
3结果与讨论
3.1氧压对ZnO薄膜结构特性的影响
图（1）是600℃衬底温度下，退火温度为650℃，分别在0Pa、10Pa和50Pa 时生长的ZnO薄膜的XRD曲线。
除了50Pa的薄膜曲线有些粗糙之外，所有的薄膜都具有尖锐的（002）峰和平滑的曲线，说明薄膜具有较高的质量和高度c 轴取向的，氧压增加到50Pa时薄膜质量有所下降。
从表1可以看到50Pa的ZnO薄膜的（002）峰的半高宽要比其他压强稍微宽点，也说明薄膜的质量有所下降，这与XRD曲线一致。
这可能的原因是高氧压条件下氧分子会阻碍ZnO束流顺利地到达样品表面。
3.2氧压对ZnO薄膜表面结构的影响
氧气压力对氧化锌薄膜表面结构的影响如图(2)所示，氧气压力分别为1Pa、10Pa、20Pa。
从图中可以看出在低的氧气压力条件下形成的氧化锌薄膜组织比较细小，在原子力显微镜下看不出明显的晶界如图2(a)。
随着氧气压力增加，晶粒尺寸增大如图(b)，(c)。
这是因为在低氧压的条件下，激光烧蚀靶表面所溅射的离子体与氧原子碰撞几率较低，因此沉积速率较快，晶核长大时间短导致晶粒细小。
而在高氧压的条件下，激光烧蚀靶表面所溅射的离子体与氧原子碰撞几率较大，因此沉积速率慢，晶核有足够的时间长大，最后导致晶粒粗大[5]。
4结论
利用脉冲激光沉积技术，在不同的氧气压力下（0Pa～50 Pa）生长ZnO薄膜。
研究结果表明：随着氧气压力的增大，衍射峰变强，晶粒尺寸变大，但到50Pa 时(002)衍射峰变弱，FWHM变大。
从晶体质量评价，10Pa氧压生长的ZnO薄膜质量较好。
参考文献：
[1]S.Nakamura,The Blue Laser Diode[M],Springer-verlag,93,356 (2000).
[2]UTHANNA S,SUBRAMANYAM T K,SRINIV ASULU N,et al.Stru
cture-composition-propert.y dependence in reactive magnetron sputte-red ZNO thin films[J].Opto.Mater.,2002,19(4):461-469.
[3]LEE Jin-Hong, KO Kyung-Hee,PARK Byung-Ok. Electrical and Optical properties of ZnO transparent conducting films by the sol-gel method[J].J.Cryst.Growth,2003,247(1-2):119-125.
[4]LEE Y, KIM H, ROH Y. Deposition of ZnO thin films by the ultrasonic spray pyrolysis technique [J].Jpn..J.Appl.phys.,2001,40(4A):2423-2428.
[5]X.T.ZULUNhang,Y.C. Liu, Z.Z.Zhi,J.Y. Zhang,Y.M. Lu, W.Xu, D.Z.
Shen,High intense UV-luminescence of nanocrystalline ZnO thin films prepared by thermal oxidation of ZnS thin films[J].Journal of Crystal Growth 2002;240:463-466.。