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ZnO和AlN薄膜结构及其性能的研究

李小换  
【摘要】: 氧化锌(ZnO)是一种具有六方纤锌矿晶体结构的宽禁带Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,由于其优良的物理特性,ZnO薄膜在太阳能电池、紫外探测器、发光显示器件、声表面波器件、气敏传感器等方面得到了广泛的应用。氮化铝(AlN)是一类重要的宽带隙Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,其晶体结构为纤锌矿型,同ZnO的晶体结构相同。AlN具有许多优异的物理性能,在蓝光、紫外发光材料及热释电材料、外延过渡层、SOI材料的绝缘埋层和GHz级声表面波器件等方面有着重要的应用。在声表面波器件应用方面,由于ZnO具有很大的机电耦合系数,而AlN的声表面波传播速度较高,因此若ZnO和AlN相结合,则不仅具有大的机电耦合系数,而且具有很高的声表面波速度,这非常适合于制造高频声表面波器件。 本文采用磁控溅射方法制备出高质量的ZnO和AlN薄膜,用XRD、SEM、XPS、AFM和红外、紫外分光光度计等测试手段对沉积的薄膜进行了表征。结果表明,对于ZnO薄膜,薄膜的择优取向性与衬底温度、溅射气压、靶基距等工艺参数有很大关系,而与氩氧比例的大小无明显的关系;而且在不同工艺参数条件下,薄膜的沉积速率也呈规律性变化。ZnO薄膜的SEM表明,样品表面较平整,且晶粒也比较致密。实验还发现,随着衬底温度的升高,薄膜中产生的氧空位将会增多,使得ZnO薄膜的电导逐渐增大,而且其紫外透射吸收截止边带向高波长方向漂移;随着氩氧比例的增加,薄膜中的氧缺陷相对减少,薄膜的透射吸收截止边向低波长方向漂移。 通过对AlN薄膜的研究发现,衬底温度、溅射功率、靶基距对AlN薄膜的择优取向性和沉积速率的影响很大;AlN薄膜样品的XPS分析表明,薄膜中Al和N基本上为理想配比;而且从AlN薄膜样品的AFM图中可以看出,不同厚度的薄膜的表面形貌和粗糙度有很大不同。通过AlN薄膜的场发射性能测试,我们发现当AlN薄膜较薄时,其具有更为优异的场发射特性;AlN薄膜的场发射性能与薄膜的取向特性有很大的关系。


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