ZnO薄膜的表面形貌与应力特性研究

【摘要】：ZnO是宽禁带直接带隙半导体材料,禁带宽度达3.37eV,ZnO的激子束缚能为60MeV,高于GaN材料的21MeV,更易于实现室温紫外受激发射。而且,ZnO易于找到晶格匹配的衬底材料,外延生长温度低,成膜性强,热稳定和化学稳定性好,因此,ZnO材料的研究是近年来光电子材料领域的重要课题。尽管存在p型ZnO制备的困难,但是,ZnO材料及相关器件的研究仍然备受关注。目前,ZnO材料的研究主要集中在,氧化锌晶体、薄膜生长与器件制备,氧化锌的掺杂和杂质缺陷研究,磁性氧化锌材料及其自旋电子学,氧化锌纳米(低维)结构等方向。薄膜的制备条件决定了薄膜的性能,制备条件包括沉积方法、衬底、生长温度、生长气氛以及生长缓冲层等等。 薄膜表面生长形貌以及薄膜应力与具体的薄膜生长过程存在了必然的联系,直接影响薄膜的化学组成、微观结构、缺陷状态等,进而影响着薄膜的物理特性和最终的器件性能。随机表面的粗糙形貌是决定物体物理特性的重要因素之一。要研究薄膜的表面形貌,首先要对薄膜表面进行定量表征和描述。材料的表面形貌演化是与表面动力演化机制相关的,研究材料表面形貌的演变可以外推表面动力演化机制。无论实际的生长过程多么复杂,表面形貌的演变,通常存在着简单的动力学标度行为,通过对薄膜形貌演化的标度行为的研究,可大大减少界面形貌描述的自由度,能够把生长界面的形貌和对应的生长模型联系起来,对生长机制有更深入的理解。应力是与薄膜性能密切相关的重要参数,磁控溅射或激光沉积制备的ZnO薄膜中存在着较大的晶格畸变和残余张应力影响了ZnO薄膜的结构、性能以及稳定性,ZnO薄膜生长参数是决定其应力的关键因素。 在这样的背景下,本论文开展ZnO薄膜的形貌和应力这一课题进行研究。 本论文分为三部分。第一部分采用脉冲激光沉积制备Ga掺杂的ZnO薄膜,研究薄膜表面形貌随时间的演化特点。第二部分采用磁控溅射制备ZnO薄膜,研究柔性衬底上ZnO薄膜的结构和应力特性。第三部分采用激光分子束外延制备Co掺杂ZnO薄膜,研究薄膜的结构、应力以及表面形貌。 第一部分的主要研究工作及结果如下: 使用激光脉冲沉积法在石英衬底上制备了ZnO:Ga透明导电薄膜,由于薄膜的生长是远离平衡态的生长,该GZO薄膜具备自仿射分形特征,可以用高度-高度相关函数进行描述。利用原子力显微镜可以获得表面图像的高度数据,通过对表面的高度数据进行数值相关运算,定量的分析了PLD工艺条件下不同生长时间制备的GZO薄膜的生长界面特征,求出了描述粗糙表面的高度-高度相关函数的三个重要参量w,ξ和α。发现所制备的GZO薄膜表面演化分成两个阶段,在比较早期的生长阶段(t8分钟),薄膜表面形貌受到表面随机起伏、沉积原子平滑效应以及衬底性能的影响等,方均根粗糙度w( t)和横向相关长度ξ(t)随时间增加而减小。而在后期的生长阶段(t8分钟), w( t)和ξ(t)随时间增加而增加,表面形貌演化出现自仿射分形特征。通过对w( t)-t曲线拟合,获得生长指数β为0.3,所有时间生长的GZO薄膜的表面粗糙度指数α在0.84左右,符合Kuromoto-Sivashinsky生长模型。 我们还研究了薄膜的电阻率和透过率与薄膜表面粗糙度和厚度的关系。发现,在早期的生长阶段(t8分钟),薄膜的电阻率主要受薄膜厚度变化的影响,但是,在后期的生长中,薄膜表面形貌对薄膜电阻率的影响比较明显。而且,薄膜的透过率也受到薄膜表面形貌的影响。我们认为,在我们的制备条件下,获得的比较理想的薄膜是生长时间为10分钟的薄膜,膜厚200nm,电阻率为4.85×10-4 ?·cm ,平均透过率为85%。 第二部分的主要研究工作及结果如下: 1.在不同的衬底温度下,用射频磁控溅射技术在柔性聚四氟乙烯衬底上生长了ZnO薄膜,研究了衬底温度对薄膜中应力以及光致发光光谱(PL)的影响。X射线衍射研究发现,薄膜晶体的质量随着衬底温度的提高而增加。在200oC相对较高的温度下,具有较好的C轴择优取向,薄膜中应力和缺陷都比较少,生长的薄膜的质量比较高,导致PL谱的优化。 2. Ar气压强对于ZnO薄膜的结构应力和PL光谱都有一定的影响,所有的样品都是(002)择优生长的多晶薄膜结构。在Ar压强为4Pa时,薄膜中具有较好的C轴取向性,晶粒尺寸最大。随压强增加,ZnO薄膜中的应力经历了由小变大再变小的变化。当Ar压强到达4Pa时,PL谱中IUV/Ivisible比值最大,这也是在4Pa时薄膜质量有所提高的依据。尽管在0.5Pa和1.5Pa时制备的薄膜中应力很小,但是C轴择优取向比较差,薄膜晶体结构质量比较低,薄膜中存在的缺陷密度比较大。 3.同质缓冲层的引入,对于在聚四氟乙烯衬底上制备的ZnO薄膜质量有较大的改善。生长缓冲层以后,晶粒尺寸有了比较大的增加,而经过退火的缓冲层上生长的ZnO薄膜的晶粒尺寸进一步增大。应力计算数据表明,在不加热的情况下引入缓冲层可以减少应力,但是经过退火后的缓冲层上生长的ZnO薄膜中存在较大的应力,与不采用缓冲层时的应力差不多。缓冲层退火后生长的ZnO薄膜的光学特性比较好。在没有缓冲层的衬底上制备的薄膜的光学特性比较差。 4.研究了不同溅射时间、不同溅射功率情况下,聚四氟乙烯衬底上制备的ZnO薄膜中的应力。我们发现,射频溅射功率的增大,对于减少薄膜中的应力是可能的。薄膜中的应力是和晶粒的大小有关的。尽管在80W较低的生长功率,生长时间为2小时的薄膜中得到具有较好C轴取向的薄膜,但是在这样的薄膜中应力也是最强的。综合考虑薄膜的结构和应力因素,我们认为,生长功率为200W,生长时间为1小时的薄膜比较理想。在我们制备的薄膜中,当薄膜的结构弛豫滞后于生长速度时,较大的晶粒尺寸会导致压应力的减少以及压应力向拉应力的转化。 第三部分的主要研究工作及结果如下: 1.蓝宝石衬底上制备了ZnO:Co薄膜,随着生长温度从300oC变化到500oC,薄膜(002)衍射峰的半高宽FWHM经历了先增加然后减小到最小值,然后又增加的过程,晶粒尺寸也经历了先减小后增加到最大值然后又减小的过程,在400oC时颗粒尺寸最大。LMBE方法生长的ZnO:Co薄膜大部分情况下表现为拉应力,只是在生长温度为350oC时,出现了非常小的压应力。蓝宝石衬底上制备的ZnO:Co薄膜表面粗糙度指数α随着生长温度增加先是有所增加,然后又降低。方均根粗糙度w在温度从300oC升高到400oC时,逐渐增大,温度增加到450oC,粗糙度有所减小,到500oC时,w值又有所增加。随着温度升高,从300oC升高到450oC的过程中,薄膜表面的横向相关长度持续减小,说明颗粒减小,在500oC时,ξ又略有增加。 2.玻璃衬底上制备的ZnO:Co薄膜(002)衍射峰的半高宽FWHM经历了先增加然后减小,然后又增加的过程。玻璃衬底上500oC时薄膜半高宽减小到最小值。在衬底温度比较低(350 oC)时,薄膜中的压应力较大。当温度升高到400 oC,薄膜中存在的压应力迅速降低,说明随着温度的升高,薄膜中的力学特性有很大的改善。薄膜的表面粗糙度指数α随着温度变化,变化不是很明显,但是,方均根粗糙度w渐渐增加,玻璃衬底上制备的薄膜的横向相关长度ξ,随着温度的升高,逐渐增加,在400oC以后,基本不再发生变化。 3.硅衬底上制备的ZnO:Co薄膜的(002)衍射峰的半高宽FWHM经历了先增加然后减小到最小值,然后又增加的过程。400oC时具有沿C轴单一取向的纯的六角结构。硅衬底上制备的ZnO:Co薄膜在生长温度高于400 oC以上时,薄膜中的应力比低温下要改善许多。硅衬底上生长的薄膜的表面粗糙度指数α随着温度变化,变化比较明显,方均根粗糙度w随着温度升高逐渐增大,当温度继续升高到500oC时,方均根粗糙度有所降低,硅衬底上制备的薄膜的横向相关长度ξ变化不是很明显。 我们认为,硅衬底和玻璃衬底上制备的ZnO薄膜,其应力和表面形貌随温度的变化规律是很相近的,与蓝宝石衬底上生长的ZnO薄膜随温度变化的特性存在很大的差异。这说明了衬底在薄膜制备中,从薄膜特性的各个方面对薄膜造成非常重要的影响。