集成电路制造论文

离子注入掺杂对ZnO薄膜性能的影响The influence of ion implantation on the ZnO thin film

姓名:郝秀秀

西安电子科技大学

摘要

氧化锌(ZnO)是一种重要的宽禁带(室温下Eg--3．37eV)直接带隙半导体材料。离子注入是将具有高功能的掺杂离子引入到半导体中的一种工艺．其目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型.

本论文是利用离子注入技术进行掺杂和热退火处理ZnO薄膜改性。利用溶胶凝胶方法在石英玻璃衬底上制备了ZnO薄膜，将能量56 keV、剂量1×10"cm-2的Zn离子注入到薄膜中。离子注入后，薄膜在500～900℃的氩气中退火，利用X射线衍射谱、光致发光谱和光吸收谱研究了离子注入和退火对ZnO薄膜结构和光学性质的影响。

结果显示：衍射峰在约700℃退火后得到恢复；当退火温度小于600℃时，吸收边随着退火温度的提高发生蓝移，超过600℃时，吸收边随着退火温度的提高发生红移。

关键词：ZnO薄膜；离子注入；退火温度；吸收；光致发光。

ABSTRACT

Zinc oxide (ZnO) is a kind of important wide forbidden band (Eg at room temperature-3.37 eV) direct bandgap semiconductor materials. Ion implantation iswill have high function into thedopingisemiconductor process. The aim is to change the charge carriers concentration and semiconductor conductive type.

The present paper is using ion implantation technology and thermal annealing processing doped ZnO thin film modification. Using sol-gel method in quartz glass substrates gel preparation ZnO films, the energy 56 keV, dose 1 X 10 "cm-2 of Zn ion implantation to film. Ion implantation, film in 500 ~ 900 ℃ in the argon annealing, X-ray diffraction spectrum, the light spectrum and light absorption spectrum to send the ion implantation and annealing ZnO thin film on the influence of the structure and optical properties.

The results showed that: about 700 ℃ in the diffraction peak after annealing

restoration; When the annealing temperature is less than 600 ℃, the temperature of the annealing edge with absorb blue to move, raise happen more than 600 ℃, the temperature of the edge with absorption annealing improve red shift occurred.

Keywords: ZnO films; Ion implantation; Annealing temperature; Absorption; The light to shine.

引言

作为宽禁带半导体材料，ZnO近年来引起了广泛的研究兴趣。人们已能利用射频磁控溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积、等离子辅助分子束外延和溶胶凝胶等多种技术合成高质量的ZnO薄膜m]。离子注入技术是一种广泛采用的半导体掺杂技术[7-10]，尤其是在半导体工业中，可以进行选区掺杂，不受掺杂物固溶度的影响，并能精确控制掺杂物的浓度。理论上，每一种元素都可以利用离子注入技术进行掺杂，因此，它是一种十分灵活和便利的掺杂技术。然而，离子注入过程中会产生大量缺陷，这些缺陷对材料的物理和化学性能可能造成很大的负面影响，这些负面影响一般可以通过后期的退火处理来消除。ZnO的光学和电学性质与材料中的本

征缺陷有密切关系，通过注入Zn离子有望改变ZnO材料中本征缺陷的浓度，进而改变ZnO的光学和电学性质。本文利用溶胶凝胶方法制备了ZnO薄膜，将高剂量Zn离子注入到薄膜中，研究了Zn注入和热处理对薄膜结构和光学性质的影响。

1.1 ZnO薄膜的晶体结构

ZnO是一种新型的II．IV族化合物，是极性半导体，存在三种晶体结构：一是六角纤锌矿(Wurtzit)结构，一般制备的ZnO薄膜都是这种结构，它的热稳定性最好，其空间群为P63mc，

晶格常数为，密度为它是由氧的六角密堆积和锌的六角密堆积反向嵌套而成，Zn和O原子相互四面体

配位(配位数为4：4)，即锌离子占据层与氧离子占据层交蛰排列，而氧原予(或者锌原子)可以看成是填塞予半数锌原予(或者氧原子)的四面体中心，如图1．1所示，从而Zn和。在位置上是等价的，zn原予的3d电子和O原子的2p电子发生杂化从燕形成共价键，实际上，Zn到它最近邻的遥个O原子(组成四瑟体)之闻的距离(键长)并不相等，一般认为，其结合主要是离子键结合。纤镩矿结构可以看成是由平行于(0001)面的A．B“原子偶层"构成，即一层A 原子与一层B原子紧挨着，接着又一层A原子紧挨一层B原子，不断重复排列下去，这样有效离子电荷约为1-1．2，这样就产生了一个极性C轴。这样的e轴是六重对称轴，也是极性轴，所以具有自发极化和热释电效应【27】；二是闪锌矿(zinc blende)结构，它的晶格能量稍高，只能在立方结构的衬底上生长才能稳定形成；三是岩盐(rocksalt)结构，ZnO只能在高

压条件下形成稳定的岩盐结构，是在ZnO处于大约高压时发生

固体相变形成这种结构，其空间群为Fm3m。

1.2 Zn0的制备

采用分析纯的二水合醋酸锌作为前驱体，乙二醇甲醚和无水乙醇作为溶剂，乙醇氨作为稳定剂。实验中将一定量的醋酸锌溶解在乙二醇甲醚和无水乙醇混合溶剂中，加入与醋酸锌等物质的量的乙醇氨和少量的甲酰氨，经充分搅拌后，形成0．35 tool透明均匀的溶液。实验中以石英玻璃片作为衬底，采用旋转涂覆技术进行涂膜，先在较低转速下向衬底滴加溶液，然后在4 000 r／min的转速下旋转30 s，形成的湿膜在300℃下预处理15 min，然后进行第二次涂膜，反复多次(本实验采用12层膜)。最后，将样品在空气中于500℃退火1 h,可得到ZnO薄膜.

2．1离子注入和退火对ZnO薄膜结构的影响

为了研究退火对注锌ZnO薄膜结构的影响，将注锌ZnO薄膜置于500～900℃的氩气中做退