磊晶與非磊晶成長極化面與非極化面氧化鋉薄膜之研究

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1、黃埔學報第五十五期民國九十七年77WHAMPOA-AnInterdisciplinaryJournal55(2008)77-86磊晶與非磊晶成長極化面與非極化面氧化鋅薄膜之研究12312毛世威沈忠雄葉松瑋黃興祿甘德新1陸軍軍官學校機械系2國立中山大學材料科學研究所3國立中山大學奈米研發中心摘要氧化鋅(ZnO)於室溫下具寬能隙與高激發能量之性質，且因其纖鋅礦(wurtzite)結構中的氧空缺與鋅格隙原子缺陷使得ZnO具導電性(0.65Ωcm)，可用來做為光電材料、壓電材料、發光材料、化學/生物感測器、太陽能電池等應用。本研究是以不同的基材溫

2、度來成長ZnO奈米薄膜，隨著基材溫度的升高，ZnO晶粒受到NaCl(001)單晶基材的影響，進行小顆粒之布朗運動而轉動聚合，ZnO的晶粒擇優取向在基材溫度200℃為Z=[2110]（族群A）。基材溫度350℃時，Z=[0111](族群B)和Z=[0002](族群C)共存，而且每個族群都有兩個種類（variants）。ZnO奈米薄膜濺鍍在p-Si(100)基材上，有強烈的(1010)擇優取向，隨著後續熱處改變，ZnO奈米薄膜最後轉成(0002)擇優取向。同一族群的晶粒則可以旋轉而調整接觸面，進而聚合成單一晶粒，反之(不同族群)則形成高角度晶

3、界。關鍵詞:奈米晶粒，離子束濺鍍，擇優取向一、簡介deposition,PVD)、化學氣相沉積法(Chemicalvapordeposition,CVD)、溶膠凝膠製成導電透明薄膜諸如氧化錫（SnO2）、氧化(sol-gelprocess)、脈衝雷射沉積法(Pulsed銦(In2O3)、氧化鋅(ZnO)、銦錫氧化物laserdeposition)、溶膠凝膠法(sol-gel(In2O3:Sn)、鎘錫氧化物(Cd2SnO4)、鎘銦氧process)、分子束磊晶製程(Molecularbeam化物(CdIn2O4)、鋁鋅氧化物ZnO:Al(A

4、ZO)、epitaxyprocess,MBE)等製備出結晶性佳、銦鋅氧化物(indiumzincoxide,IZO)等廣泛穿透率高、電阻率低之[0002]擇優取向之於應用太陽能電池、有機發光顯示器ZnO薄膜[5-14]。(OLED)、平面顯示器(LCD)及光電偵測器等離子束濺鍍法因所沉積薄膜其表面粗糙透明電極上，亦可應用於透明加熱元件、抗度低、大面積沉積均勻性佳、光學穿透性佳、靜電薄膜、電磁波防護膜等電子、光學及光耐磨耗性高、表面硬度佳、高表面附著性等電等裝置等。如此廣泛之應用乃在於其因具優點為近年來廣泛應用於諸如氧化鋅[15,-4備低電

5、阻率10–0.7×10Ωcm[1-4]、高穿透16]、銦錫氧化物[17-19]、銦鉭氧化物[20]率(80-90%)[5,6]以及寬能隙(3.3–4.3eV)[4]等光學元件中薄膜的製備。因離子束濺鍍法等特性。一般而言，ITO與ZnO導電透明氧沉積薄膜是以原子疊層方式成長(layer化物為近年來學者所研究的重點，ZnO薄膜growth)，雖然成長速率較慢，但所沉積出來本身以(0002)為最低能量面，在文獻中皆可薄膜均勻性佳，晶粒大小約10–20nm；也因利用物理氣相濺鍍法(Physicalvapor其離子束能量大(約數百至數千eV)，在轟

6、擊78黃埔學報第五十五期民國九十七年靶材時亦使單原子團簇(adatoms)以擬磊晶(pseudo-epitaxy)方式依序沉積至基材上。ZnO為一纖鋅礦結構(P63mc)，氧原子與2.2ZnO厚膜製備鋅原子分別沿c軸以六方最密堆積方式堆疊2+使用離子束濺鍍機濺鍍ZnO厚膜，使用而成，其表面可由正電荷之Zn離子或是由的基材p-Si(100)為固定的條件有電壓2-負電荷之O離子分別構成(0001)與(0001)的(750eV)、電流(60mA)、通氧流量(15sccm)、極化面，ZnO六面體晶胞周圍的六個面是由工作真空度(1×10-4torr

7、)和濺鍍時間(2hr)，基板{1010}非極化面所構成，如Fig.1所示[21]。溫度400℃，使用的觀察設備為TEM(JEOL其晶格常數a=3.249Å，c=5.205Å。因ZnO3010)。並作後續熱處理，使用X光繞射儀具直接能隙(Eg(RT)=3.37eV)，常以磊晶方(Bede公司的D1型)，做為薄膜結晶性的分析。(實驗流程如Fig.2所示)式成長於AlInGaN、MgCdZnO或In0.22Ga0.78N晶格匹配性佳之單晶基材上以作為藍光LED三、結果與討論之應用[22-24]。此外，ZnO光學性佳(>85%)2-2但其導電性略

8、低(10–10Ωcm)，因此許多利用離子束濺鍍法於NaCl(001)基材上學者藉以摻雜異價元素至ZnO中以增加Zn格控制成長不同晶向之ZnO，如Fig.3所示為控隙原子與氧空缺，使導電性提升[