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声表面波用ZnO薄膜的制备及器件的初步研究

赵佰军  
【摘要】:ZnO 材料是一种宽禁带的多功能半导体光电材料,在许多领域都具有广 泛的用途。例如,可用于制作紫外发光管和激光器、紫外探测器、高频表面 声波器件、透明导电电极和声光换能器等,所以一直倍受研究人员的关注。 特别是 1996 年, ZnO 薄膜室温光泵浦紫外激射的获得,又掀起了研究 ZnO 材料尤其是 ZnO 薄膜的热潮。随后 ZnO 薄膜材料的研究工作不断取得进展。 许多研究小组先后报道了 P 型材料的制备,ZnO p-n 结和发光管的实现,以 及 ZnO 的多元合金材料研究,低损、高频 ZnO 基表面声波滤波器的应用等。 本论文以 MOCVD 制备方法为基础,系统的研究了不同的 ZnO 多层薄膜结构的 生长特性,分析了这些结构的突出特点,并有针对性的制备了高频声表面波 滤波器件,获得了较好的结果。 本文系统地阐述了ZnO在结构、光学、压电方面的特性;研究了以ZnO 为基础的声表面波器件的基本特性,指出了高阻和平整的表面结构是制备声 表面波器件的基本条件;分析了适合制备高频、低损声表面波器件所需的衬 底材料;针对多层结构分析了器件的频率和温度特性;介绍了适合制备高质 量ZnO 薄膜的新型等离子增强MOCVD 系统。该系统有许多创新之处,如利 用DEZn和O2为源,采用分开通气方法,通过面向衬底座的喷枪通源;采用均 匀结构电阻式加热器;采用无极变速高速旋转的衬底座;利用辅气路均匀下 压气流抑制热上升气流等。该系能有效抑制预反应问题;解决了薄膜的生长 均匀性问题;可利用等离子体发生装置对薄膜进行有效掺杂;适合制备高阻 或P型ZnO 薄膜。 利用MOCVD系统,以 DEZn 和 O2 为源在R面蓝宝石衬底上生长出高 质量的(110)取向的ZnO 薄膜。X射线双晶衍射图显示优化的样品(002) 峰仅0.25°。对比不同取向蓝宝石衬底上的薄膜生长表明在R面衬底上需要较 高的生长温度和较慢的生长速度。通过原子力显微镜分析了表面形貌,R面 衬底上生长的样品表面的粗糙度仅3nm左右。截面的扫面电镜照片证明了在C 面和R面蓝宝石衬底上ZnO薄膜具有不同的生长模式。PL谱分析表明样品生 长中对深能级发光有关的缺陷浓度降低了。对样品的吸收谱分析表明ZnO表 面具有光学吸收的各向异性。综合表明在R面蓝宝石上生长的薄膜具有较好 1 WP=129 吉林大学博士论文 的结晶质量和致密平整的表面形貌,通过生长方法的改进获得了高阻和弱P 型的ZnO薄膜。 首次通过两步生长法在GaN/Al2O3衬底上生长了高质量的ZnO外延膜,双 晶摇摆曲线半峰宽为0.29度。在ZnO的(004)峰附近观察到了精细的分峰结 构。原子力照片表明在GaN/Al2O3衬底的生长是遵循着六方柱状的生长模式。 使用XPS分析了薄膜内的组成,表明这种结构不同于以前的ZnO中的富锌生 长模式,属于微弱的富氧生长。室温PL谱表明ZnO/GaN/Al2O3 结构具有较好 的光学特性,低温光谱中观察到了不同的激子发射峰,通过变温光谱的分析 和理论计算表明,低温发光中主要发光峰来自于束缚激子的发射。最后,我 们使用了拉曼光谱对薄膜结构的对称性进行了对比测试,通过观察到E2振动 峰和它具有的较高强度,表明薄膜具有较高的质量。 首次使用MOCVD法在金刚石单晶衬底上生长了ZnO薄膜结构,使用气流 两步法对生长进行了优化,X光衍射谱图表明薄膜具有单一的趋向性。表面 分析表明慢速生长有利于籽晶的长大,PL谱分析和光吸收分析证实了样品具 有较强的紫外发射峰,通过生长的优化后内部的缺陷浓度得到了相应的减少。 通过拉曼散射测试进一步证明生长的ZnO/diamond薄膜具有一定的组群对称 性。 在 MOCVD 法 生 长 中 , 通 过 生 长 温 度 和 气 流 的 调 整 , 改 善 了 ZnO/diamond/Si结构的薄膜质量,使晶粒取向性得到了改善。通过表面扫描 电镜的分析对样品的表面形貌进行了分析。PL光谱比较分析表明,低温生长 的薄膜紫外发光质量很差,而高温生长的样品中存在不同强度的深能级发光 峰。不同样品的光电子能谱对比表明通过优化,样品中与氧缺陷有关的峰逐 渐减弱,对于最终的样品获得了较好的化学计量比。电学测试显示高温下的 样品具有高阻和弱P型导电特性。 首次使用MOCVD法制备了Zn/SiO2/Si三层结构,为克服外延生长中存在 的难度,在生长中使用了对过渡层退火的方法,最终获得了单一取向的外延 薄膜。原子力分析表明在生长中由于过渡层的变化导致了生长模式的变化, 从三维生长向二维生长发生转化。SEM断面照片显示了平整的界面和明显的 三层结构。在光谱分析中我们研究了深能级发射的机理,结合缺陷能级图和 XPS辅助分析,表明过渡层的使用使Zn有关缺陷峰降低,而氧有关缺陷峰提 2 WP=130 吉林大学博士论文 高了。在低温光荧光谱中观察到不同的激子发射,证明了样品具有较好的质 量。通过对样品的拉曼光谱分析进一步证明,对过渡层的退火方法使ZnO的 E2振动峰得到了增强,从而表明晶体质量得到了改善。 使用ZnO/R-Al2O3和ZnO/Diamond/Si结构制备了声表面波滤波器件,获得 了高阶模滤波频率高达1.65GHz的高频SAW滤波器。分析了不同波长和膜厚 的器件对频率特性


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