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《吉林大学》 2004年
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金属有机物化学汽相外延法生长ZnO薄膜

张景林  
【摘要】:ZnO是一种具有纤锌矿晶体结构的直接宽带隙半导体材料,禁带宽度为3.37eV,室温下激子束缚能高达60meV,高于ZnSe和GaN。是一种理想的蓝光半导体材料,因此其研究被称为“低温蓝光工程”,在诸如气敏传感受器、光电探测器、声表面波器件、电致发光器件、发光二极管、太阳能电池等光电器件方面具有较大的应用潜力。 生长ZnO薄膜的方法很多,可采用诸如:磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积、金属有机化合物气相沉积、喷雾热解等方法。本文采用我们自己组装设计的具有自主知识产权的MOCVD系统,生长出了高质量的ZnO薄膜。 我们所做的工作如下: 1、以DEZn和O2为源,利用MOCVD系统在C-Al2O3衬底上生长出了高质量的ZnO薄膜,衬底温度580℃、反应室压力480pa、Ar(作为携带DEZn的载气)流速为1.25×10-4mol/min、氧气流速为6.0×10-3mol/min。 由原子力显微镜图可见薄膜表面平整,颗粒均匀细密,测得薄膜的电阻率为0.209Ω·cm,迁移率为8cm2/V·S,载流子浓度为-3.73×108cm-3,表面生长的薄膜为低阻n型导电;XRD分析表明:ZnO (0002) 面衍射峰峰位在2θ=34.48°处,其半高宽FWHM为0.184°,根据布拉格方程,可计算薄膜中平均晶粒尺寸D=47.12nm;室温Raman谱中,只观测到了E2(high)模式和A1(LO)振动模式,说明ZnO薄膜形成良好的纤锌矿结构;在室PL谱中出现ZnO薄膜的强的带边发射峰和弱的深能级发射峰,带边发射峰位于3.28eV,两处峰的强度比值为40:1,说明生长的ZnO薄膜具有较高的光学质量。 2、此外,我们在衬底温度为610℃、反应室压力为180pa、DEZn流速为6.25×10-5mol/min,氧气流量依次为3×10-3mol/min、8×10-3mol/min、2×10-2mol/min的情形下进行了ZnO薄膜的生长研究。XRD谱表明,具有六方晶系纤锌矿结构的ZnO薄膜的(0002) 衍射峰被观察到,分别位于2θ WP=59 =34.56°,34.50°,和34.48°。对于C样品,生长的ZnO薄膜除(0002)面衍射峰外,还有位于2θ=47.52°的( )面衍射峰出现,并且随着生长过程中氧气流量的增加,(0002)面衍射峰峰强逐渐减弱,(0002)峰的半高宽依次为0.20°、0.26°和0.30°。在当前生长条件下,随氧气流量的增加,ZnO薄膜结晶质量在下降,由单一c轴取向薄膜已转成多晶薄膜。 随O2气流量的增加,生成的ZnO薄膜表面的平均晶粒尺寸变小,柱状晶粒尺寸更加均匀,粗糙度变小,表面更加光滑平整,对于A、B、C三种样品,其均方根粗糙度数值分别为47.16nm,23.59nm,9.04nm。ZnO薄膜在He-Cd激光器激发下室温PL谱显示,随着氧气流量的增加,深能级发光峰明显减弱。这表明,ZnO薄膜的光致发光特性更重要的不是依赖于薄膜的微观结构质量,而是依赖于薄膜中的Zn、O组份配比。 3、最后,我们在衬底温度为600℃、反应室压力为210pa、氧气流量180sccm、氩气(携带DEZn)流量2sccm的条件,通过改变冷阱的温度、从而改变实际反应时Zn源的浓度,进行ZnO薄膜的富锌生长研究。通常人们认为光荧光谱中观察到的深能级复合发光来源包括:导带和离子化的Zn空位(VZnx)之间的复合、施主(Zni)与受主(VZnx)之间的复合、导带和氧空位(Vo)之间的复合、ZnO晶体中的填隙Zn离子(Zni)和价带的复合以及导带和O错位(OZn)之间的复合。 从薄膜的室温PL谱中可以看出,深能级跃迁发光峰的强度是依次减弱的。从而也可知,在此种条件下生长的ZnO薄膜,其深能级跃迁发光峰的强度与薄膜中VO和Zni关系不大,即导带和氧空位(Vo)之间的复合、填隙锌(Zni)和价带的复合对深能级发光峰强度的贡献不是很大。另外由于氧原子半径大于锌原子半径,因此形成填隙氧(Oi)的可能性较小,所以Oi缺陷与深能级跃迁发光关系也不大,我们可以认为与样品深能级跃迁发光关系较为密切地是VZn×和OZn缺陷。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TN304.05

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