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《退火温度对ZnO薄膜结构和发光特性的影响_孙成伟.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第55卷第1期2006年1月物理学报Vol.55,No.1,January,20061000-3290200655(01)0430-07ACTAPHYSICASINICAc2006Chin.Phys.Soc.＊退火温度对ZnO薄膜结构和发光特性的影响孙成伟刘志文张庆瑜(大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,大连116024)(2005年4月28日收到;2005年6月6日收到修改稿)采用反应射频磁控溅射法在Si(100)基片上制备了高c轴择优取向的ZnO薄膜,研究了退火温度对ZnO薄膜的晶粒尺度、应力状态、成分和发光光谱的影响,探讨了ZnO薄膜的紫外发光光谱和
2、可见发光光谱与薄膜的微观状态之间的关系.研究结果显示,在600—1000℃退火温度范围内,退火对薄膜的织构取向的影响较小,但薄膜的应力状态和成分有比较明显的变化.室温下光致发光光谱分析发现,薄膜的近紫外光谱特征与薄膜的晶粒尺度和缺陷状态之间存在着明显的对应关系;而近紫外光谱随退火温度升高所呈现的整体峰位红移是各激子峰相对比例变化的结果.此外,研究结果显示,薄膜的可见发光光谱对退火温度极为敏感.关键词:ZnO薄膜,退火,光致发光,射频反应磁控溅射,可见光发射PACC:6855,7840,7855本文采用反应射频磁控溅射方法在硅衬底上成1.引言功制备了高c轴择优取
3、向的氧化锌薄膜.研究了薄膜的微观结构、晶粒尺度、应力状态和薄膜成分随退氧化锌作为新一代的宽带半导体,具有广泛的火温度的变化规律,并对不同温度退火后的紫外发[1]应用,如ZnO薄膜可以制成表面声波谐振器,压射光谱和可见光光谱解谱分析.本文的研究目的是[2][3]电器件,GaN蓝光薄膜的过渡层以及太阳能电探讨薄膜的结晶状态、缺陷状态和薄膜成分等因素[4]池的透明导电膜和过渡层等.ZnO具有纤锌矿晶对光致荧光的影响.体结构,禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,可以实现室温下的激子发射.自从1997年Tang等2.实验[5]人报道了ZnO薄膜的光抽运近紫外
4、受激发射现象以后,ZnO再次成为当今半导体材料研究领域的ZnO薄膜的制备是在JGPG-450型超高真空磁热点.控溅射设备上采用射频反应溅射方式完成的.磁控目前,已经有大量关于用不同方法在各种衬底溅射靶是直径为60mm的金属锌靶,纯度优于[6—10]上生长ZnO薄膜方面的报道,研究的重点主要99.99%.反应溅射的气体为纯度优于99.99%的Ar是ZnO薄膜的光致发光现象.ZnO薄膜的光致发光和O2混合气体,Ar和O2表观质量流量分别为20光谱(PL)一般包含两部分:近紫外光谱和可见光发sccm和19sccm.ZnO薄膜的生长基片为n型(100)光带.对于近紫外
5、发射,大多数都认为其来源于自由[12—15]取向的单晶Si片,厚度为420μm,电阻率2—4Ψcm.激子跃迁,而对于可见光的发射一般认为是由[6,16—18]溅射前对基片Si进行处理,方法为将Si片放入丙薄膜内部本征缺陷造成的,包括氧空位,锌空酮、乙醇、去离子水中各超声波清洗5min;在H2SO4位,锌填隙,氧填隙和氧错位,但影响本征缺陷种类+H3PO4(体积比=3∶1)的溶液中浸泡20h;用5%的和浓度的因素则存在着多种推测,如结晶质量和化学剂量比等.还有人认为可见光的发射与杂质CuHF酸腐刻2min,去离子水冲洗后N2气吹干快速放[19]有关,但具体的发光
6、机理还无定论.入真空室.基片与溅射靶的间距为70mm,射频溅射＊国家自然科学基金(批准号:50240420656)资助的课题.E-mail:qyzhang@dlut.edu.cn1期孙成伟等:退火温度对ZnO薄膜结构和发光特性的影响431功率为100W,衬底温度为750℃,沉积时间2h,沉积的薄膜厚度约为400nm.在薄膜的制备过程中,-4本底真空为4.0×10Pa,工作气压为0.5Pa,基片台以4.8°s自转以保证沉积薄膜的均匀性.沉积的ZnO薄膜在空气环境中进行了不同温度的退火处理.退火温度范围为600—1000℃,退火时间为2h.退火后的样品自然冷却至室
7、温.薄膜的结构表征主要采用X射线衍射(XRD)分析和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察.XRD是在DMAX-2400衍射分析仪(CuKα,λ=0.15418nm)上进行的.HRTEM观察是在PhilipsTecnaiF30上进图1退火前后ZnO薄膜的XRD谱行的.此外,还利用电子探针(EPMA-1600)对不同退火温度下的薄膜成分进行了分析.光致发光光谱测量是在室温下完成的,采用He-Cd激光器作为激发源,激光波长为325nm,发光光谱波长范围为350—750nm.利用PeakFittingModule7.0软件对光致发光光谱进行拟合分析处理.3.结果与分
8、析3.1.结构与成分分析图1是未退火和
