射频磁控溅射ZnO薄膜的结构和光学特性

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献:
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发现当射频功率在 300 !600 W 之间和氧氩比值 在1 !3 之 间 变 化 时, 样 品 均 有 较 好 的 结 晶 性, ( 峰的半高宽逐渐减少, 且 ( 峰的峰位逐 002 ) 002 ) 渐向大角度方向移动, 根据 Scherrer 公式可知, 样 品的这种变化意味着 c 轴择优取向性越好, 晶粒 尺寸越大, 薄膜结构性能越好。 作为一种宽带半导体, PL 谱是 Zn O 的重要 特性。图2 为样品的室温 PL 谱, 从图中能观察 到样品有两个紫外发射峰, 峰位分别位于 3. 30e V 和3. 23e V 。我们认为3. 30e V 的发射峰来自于自 由激子发射, 而位于 3. 23e V 的发射峰来自于施 主 在 - 受主对 跃 迁 发 光。除 了 紫 外 发 射 峰 以 外, 处还出现对应绿光波段的荧光峰, 该峰来 2. 5e V 自于深能级复合发光, 主要是由 Zn 空位、 O 空位、
第24 卷
第1 期




Vol. 24
No .1
2003 年2 月
CH I NESE J OURNAL OF LUM I NESCENCE
2003 Feb . ,
文章编号: ( 1000- 7032 2003 ) 01- 0073- 03
射频磁控溅射 ! " # 薄膜的结构和光学特性
张源涛,李万程,王金忠,杨晓天,马 艳,殷宗友,杜国同
第1 期
张源涛,等:射频磁控溅射 Zn O 薄膜的结构和光学特性
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近年来短波长发光管和激光器一直是半导体 光电器件研究的热点。Zn O 作为一种直接带隙 的宽禁带材料, 是继 Ga N 之后光电研究领域又一 热门研究课题。与 Ga N 相比, Zn O 和 Ga N 的能 带间隙和晶格常数非常接近, 可互为缓冲层, 有相 近的光电特性。但 Zn O 还有某些特性比 Ga N 更 优越, 如具有更高的激子束缚能 ( 、 外延生 60 me V ) 长温度低、 成本低等, 在某些应用领域显示出比 特别是 Zn O 紫外光电器件 Ga N 更大的发展潜力, 更为人们所重视。 生长 Zn O 薄 膜 所 用 的 衬 底 一 般 为 蓝 宝 [ , , 但是用蓝宝石作衬底有价格较贵、 不易解 石1 2] 理以及难以与其他光电器件集成等缺点。S i 是 半导体材料生长的常用衬底, S i 不但容易解理、 价格便宜, 而且目前的主要光电集成器件都是集 所以在 S 成在 S i 衬底上, i 衬底上生长 Zn O 薄膜 具有重要的意义。
本低等优点。 我们采用 RF 磁控溅射法在 n- S 衬底 i(001 ) 上制备了 Zn O 薄膜, 用 XRD 谱分析了薄膜结构, 通过 PL 谱分析薄膜的光学特性。
收稿日期: 2002- 07- 03 ;修订日期: 2002- 10- 04 基金项目:国家863 计划资助项目 ( 2001 AA311130 ) 作者简介:张源涛 ( ,男,吉林人,目前在吉林大学电子科学与工程学院微电子学与固体电子学专业攻读博士学位, 主要从 1976 - ) 事 Zn O 薄膜材料的生长及其器件的研制工作。 ( E - mail : xgWang !mail .jl u .edu .cn , T el : 0431 ) 8499063
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第24 卷
[ 10 , 11 ] 错位 Zn 或错位 O 所导致的深能级 。紫外 发光与深能级复合发光的强度比为 7 1 , 这个比
值优于以前报道的利用溅射法生长 Zn O 膜的同
[ 12 ] 类比值 。
图1 F i g .1
Zn O 薄膜的 X 射线衍射图
X -ray diffracti on pattern of Zn Ofil m s.
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结果分析和讨论
图1 为氧氩比为 311 , 溅射功率为 600 W, 沉
积温度为 200 C 时样品的 XRD 谱, 在图中 2!= ( 峰, 半高宽 (F WHM) 为 34. 78 处为 Zn O 的 002 ) 图中没有观察到其他的峰, 表明 Zn O 薄膜 0. 30 , 为 ! 轴 择 优 取 向 生 长 的。 利 用 众 所 周 知 的 Scherrer 公式 " = 0. 9" (其中 " 是晶粒尺寸, " # cos! 是 X 射线波长, # 是衍射峰半高宽, ! 是衍射峰 峰 位) 来计算晶粒尺寸, 得到" = 48 n m 。 实验中
(吉林大学 电子科学与工程学院,集成光电子国家重点实验室,吉林 长春 130023 )
摘要:采用射频 (RF ) 反应磁控溅射法在n- S 衬底上外延生长ZnO 薄膜。XRD 谱测量显示出较强的 ( i( 001 ) 002 )
衍射峰, 表明 ZnO 薄膜为! 轴择优取向生长的。室温 PL 谱测量观察到了较强的紫外光发射和深能级发射。 关 键 词: Zn O 薄膜; RF 磁控溅射;光荧光谱 中图分类号: 文献标识码: O 482. 31 A
F i g .2 图2 Zn O 薄膜的室温 PL 谱
PL spectra of Zn Ofil m at room te mperat ure .
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采用 RF 反应溅射法在 n- S 衬底了制 i(001 ) 备了c 轴高度择优取向的 Zn O 薄膜。通过 XRD 谱对薄膜分析, (002 ) 衍射峰半高宽仅为 Zn O 的 观察到 0. 30 。在 Zn O 薄膜的室温光荧光谱中, 两个 较 强 紫 外 发 射 峰 (峰 位 分 别 在 3. 30e V 和 , 分别来自于自由激子发射和施主 3. 23e V ) - 受主 对跃迁。
[ 3] 制备 Zn O 薄膜有多种方法, 如热解喷涂 、 [ ,] [ ,] [ 10 , 11 ] 溅射 等。其中溅射 MOCVD 4 5 、 MBE 6 7 、 法沉积的薄膜质量虽然不及 MOCVD 法和 MBE 法, 但它具有成膜均匀、 致密, 且制备工艺简单、 成
Zn O 薄膜是采用 RF 反应 磁 控 溅 射 法 制 备 作衬底, 制备前用甲苯、 丙酮、 酒 的。用 n- S i( 001 ) 精、 去 离 子 水 对 衬 底 进 行 超 声 清 洗。用 比 例 为 (H2SO4 ) (H3 PO4 ) ! 1! = 311 的混合溶液加热到 然后用去离子水冲洗并用高纯 160 C 刻蚀10 m in , 靶直径 氮气吹干。金属锌靶的纯度为 99. 999 % , 为100 mm 。氧气、 氩气分别作为反应沉积过程的 反应气体和溅射气体, 氧氩比为 311 , 溅射功率为 沉积温度为 200 C , 在沉积过程中衬底基 600 W, 座保持旋转。 采用西门子 D8 DI SCOVER X 射线衍射仪对 样品进行 XRD 谱分析。对样品的室温 PL 谱进 行了测量, 激发源为波长为325n m 的 He- Cd 激光 然后用 器。样 品 的 PL 信 号 通 过 单 色 仪 分 光, CCD 探测器接收。
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