射频磁控溅射法制备zno薄膜及其性能研究

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1、上海大学硕士学位论文摘要直接宽禁带半导体材料ZnO是第三代半导体材料的典型代表，其薄膜材料在光电、压电、气敏传感器、集成光学、透明导电薄膜等领域具有广阔的应用。本文采用RF磁控溅射法在玻璃和Si(1“)衬底上制备ZnO薄膜，并对薄膜的结构性质、电学性能、光电性能等进行了表征。在玻璃衬底上采用低磁控溅射功率(LP)沉积ZnO同质缓冲层，热处理后再在其上制备ZnO薄膜，系统地研究了LP缓冲层制备功率、缓冲层厚度、热处理条件等对其上沉积的ZnO薄膜性能的影响。实验表明，引入同质LP缓冲层后，可在较宽的I强功率范围内(30．500W)制备出(002)定向指数达O．97以上的Zn

2、O薄膜，所有薄膜的电阻率均大于108伽cm；随LP缓冲层厚度提高，ZnO薄膜的(002)定向性趋好，其结晶质量、晶粒均匀性、表面平整度等都得到改善，电阻率变化不大，并且薄膜具有较高的带边发射(NBE)强度，缺陷能级发光峰(PL)减弱；缓冲层溅射功率的提高不利于其上生长的ZnO薄膜(002)的定向；适当的热处理能提高ZnO薄膜的c轴取向性和结晶性能。本文还提出了LP缓冲层的生长过程模型，认为缓冲层厚度在超过一(002)取向渐变区后，才能提高后续沉积薄膜的定向性。首次采用多步法在玻璃衬底上制备ZnO薄膜，研究了RF功率对多步法ZnO薄膜性能的影响。结果表明，在30．300W

3、的RF功率范围内，均可制得晶粒均匀致密、(002)定向性好的薄膜，但溅射功率的继续提高会影响薄膜的表面形貌。随溅射功率的升高，薄膜的可见光透过率降低，带隙变窄(从3．33eV降至3．28eV)，电阻率也从2．8xt01‰·em降至2．5x108Q·em。本文建立了多步法生长薄膜的模型，认为通过沉积、热处理、再沉积、再热处理的过程，可逐渐填充ZnO薄膜内部的孔洞，从而制备出高质量的ZnO薄膜。在SiOll)衬底上沉积不同功率的ZnO薄膜，与玻璃衬底上薄膜(LP缓冲层上制备或多步法制备)的性能进行对比研究。实验表明，在100．500W的功率下，玻璃衬底上(LP缓冲层上制备或

4、多步法制备)的薄膜的(002)定向性均接近V上海大学硕士学位论文Si(111)衬底上薄膜；薄膜的结晶质量、表面平整度、晶粒的均匀性、致密性等均优于Si(111)衬底上薄膜：Si(111)衬底上的ZnO薄膜中内应力较大，导致薄膜局部开裂。对不同条件下制备的薄膜的拉曼光谱研究表明，除ZnO的特征拉曼峰外，在高功率溅射条件下，还首次发现了1080era"‘处非常尖锐的拉曼峰，且其峰强随功率升高而增强。1080em"1处的拉曼峰可能是由Zni缺陷在ZnO晶格中的有序分布而形成某种形式的超晶格引起的。关键词：ZnO薄膜：RF磁控溅射：(002)定向；电阻率；带边发射；拉曼光谱；L

5、P缓冲层；多步法VI上海大学硕士学位论文ABSTRACTInrecentyears，ZnOthinfilms，withdirectbandgapof3．37eV,havereceivedconsiderableattentionduetotheirremarkablepropertiesappliedinpiezoelectric，optoelectroulcdevicesandgassensors．Inthispaper,theZnOthinfilmswerepreparedonglassandSi(1I1)substratesbyRFmagnetronsputter

6、ing，andtheeffectsofthegrowthconditionsonthestructural，electricalandopticalpropertiesofthefilmshavebeeninvestigatedbyXRD，SEM，AFM，PLandRamanspectrometer．AthinlayerdepositedunderlowRFpowerWasusedasahomo·-buffer(LP·-buffer)forthegrowthofZnOfilms．TheinfluencesoftheRFpower,thebufferthicknessan

7、dtheheat-treatmentconditionsOBthecharacteristicsoftheznofilmswerestudied．Theresultsshowedthat,aftertheinsertionoftheLP··buffer,thepreferentialC··orientedZnOfilmswiththeresistivityabout10sQ·cmcouldbeobtainedinawideRFpowerrangeof30·500W．Withtheincreaseofbufferthickness，theC