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脉冲激光沉积制备ZnO薄膜及其结构和发光特性分析

吕珂  
【摘要】:氧化锌(ZnO)是一种直接带隙宽禁带(3.37eV)Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有较大的激子束缚能(60meV),可以在室温下实现紫外光的受激发射和全色显示,是继GaN之后在半导体光电领域又一研究热点。ZnO薄膜被广泛应用于透明电极、太阳能电池窗口、声表面波器件、发光二极管等。同时ZnO用于制造紫外发光器件和紫外激光器,对于提高光记录密度及光信息的存取速度起着非常重要的作用。ZnO薄膜的制作方法很多,主要有磁控溅射法(magnetron sputtering)、溶胶凝胶法(sol-gel)、喷雾热解法(spay pyrolysis)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、原子层外延生长法(ALE)等。脉冲激光沉积是近年来发展起来的先进的薄膜生长技术,它是在高真空背景下用高能激光烧蚀ZnO靶材生成蒸发物沉积在加热衬底上生长晶体薄膜的。本文用脉冲激光沉积方法在Si(001)衬底上生长ZnO薄膜,讨论了不同的衬底温度、退火温度、氧压等生长条件对ZnO薄膜结构和发光特性的影响;用XRD对薄膜的结晶质量进行分析;用AFM、SEM对薄膜的表面形貌进行表征;用PL对薄膜的发光特性进行研究。得到以下结果: 1.衬底温度对ZnO薄膜质量有重要影响。在500℃~600℃衬底温度范围内,XRD的衍射峰增强,半高宽从0.259°减小到0.198°。这表明随着衬底温度升高,结晶质量得以改善;AFM显示了晶粒长大的过程;PL谱表明600℃生长的ZnO薄膜在380nm处有强的紫外发射峰,同时有较大的紫外光与可见光强度比。 2.ZnO薄膜在空气中不同温度下退火处理,退火温度分别为600℃、650℃、750℃,退火时间1小时。退火可使c轴生长的薄膜取向性增强;随退火温度升高,沿C轴的张应力逐渐减小,而后转变为压应力,在650℃有较小的张应力-1.7×10~8N/m~2;同时晶粒增大,表面粗糙度也随之增加。PL表明650℃退火的薄膜样品,其紫外带边发射和深能级发射的比值最大,约为6.8∶1,这表明样品的带间跃迁占了主导地位。 3.氧压不同制备的ZnO薄膜质量也不同。在不同的氧气压力下(0Pa~50Pa)生长ZnO薄膜,XRD表明10Pa的氧压时有较强的(002)衍射峰和较小的半高宽。PL谱表明10Pa的氧压有较大的紫外峰强度和深能级峰强度之比。氧压增大,有利于降低氧缺陷浓度,但过高的氧压会使粒子碰撞几率增大、沉积速率减少,影响薄膜的结晶质量。


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