ZnO和AlN薄膜结构及其性能的研究

【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。