RF磁控溅射条件对ZnO薄膜结构的影响.pdfVIP

维普资讯 第3l卷 第Z2期 光 子 学 报 VOI．3lNo．Z2 2002年l2月 ACTAPHOTON1CA SINICA Dec．2o02 RF磁控溅射条件对ZnO薄膜结构的影响 张源涛 殷宗友 杨树人 马 艳 杜国同 (吉林大学电子科学与工程学院，集成光电子国家重点实验室，长春 130023) Tel：043I．892233I．3475；Email：xgwang(~mail．jlu．edu．cn 摘 要 采用RF磁控溅射法在Si(001)衬底上制各Zn0薄膜．研究发现了工作中溅射频率、 氧气和氩气流量比对样品结构的影响．样品的XRD图谱显示了强的 (o02)ZnO衍射峰，表明 ZnO薄膜为c轴高取向生长．比较不同条件下制备的ZnO薄膜，研究发现当氧气和氲气的流量 比相同时，随着溅射功率的增加，样品的 (002)衍射峰增强，半高全竟变小．而当溅射功率 相同时，随着氧气和氲气的流量比增加，样品的 (002)衍射峰也增强，半高全宽同样变小． 此外，本文还分析了溅射工艺和薄膜晶体质量之间的关系，发现在相同的功率条件下，溅射率 低时晶粒尺寸更大且薄膜的结晶性更好． 关键词 ZnO薄膜 ；RF磁控溅射 ；XRD谱 0引 言 氧化锌 (ZnO)，作为一种宽直接带隙的半导体，是继GaN之后光电研究领域又一热 门课题。它可用于制作短波长光电器件如发光二极管…、紫外光探测器 [21、高频滤波器f】 和紫外激光器等，在信息及军事等领域有着重要的用途。 为了制作上述器件和实现上述用途，如何生长ZnO薄膜材料是根本所在。生长ZnO薄 膜材料的方法很多，包括分子束外延 (MBE)4【】、金属有机化学气相沉积 (MOCVD)5【】、 脉冲激光沉积 (PLD)6【l、溅射和蒸发等。其中溅射法沉积的薄膜质量虽然不及MOCVD 法和 E法，但它具有成膜均匀、致密，且制各工艺简单、成本低等优点。生长ZnO薄 膜所用的衬底一般为蓝宝石7【】，但是利用蓝宝石衬底有价格较贵、不易解理以及难以与其 他光电器件集成等缺点。Si是半导体材料生长的常用衬底，Si不但容易解理，价格便宜， 而且 目前的主要光电集成器件都是集成在Si衬底上，所以在Si衬底上生长ZnO薄膜具有重 要的意义。 我们采用RF磁控溅射法在Si(001)衬底上制备了Zn0薄膜，用XRD分析溅射条件对 薄膜结构的影响，得到了最佳制备条件，并分析了溅射工艺对薄膜结晶性的影响． 1实 验 ‘ 采用RF磁控溅射法在Si(001)衬底上制备ZnO薄膜。所用金属锌靶的纯度为99．999％， 靶直径100ram，厚度4ram，靶与衬底托盘的距离为140ram。硅衬底用甲苯、丙酮、乙醇 清洗并在160C下硫酸和磷酸3：I的混合液中刻蚀10分钟。在2×10-3PaFF强下，引入 99．995％氩气和99．99％氧气的混合气体。氧气、氩气流量由质量流量计单独控制．用七表 示氧氩流量比，馗 在I：I、2：I和3：I范围内变化，射频功率在300--650w范围变化。 所有样品的溅射时间是4O分钟，生长温度为200C。衬底托盘在溅射过程中保持旋转。 使用西门子公司的 D8DISCOVER型 x射线衍射仪上进行Ⅺ 铡量。样品厚度的测 收稿 日期：2002—07—29 维普资讯 328 光 子 学 报 3l卷 量由J．A．Woollam．公司的M．2000UI型椭偏仪完成。 2结果分析与讨论 图l所示为当c／=1：l时在不同射频功率下生长的样品的XRD谱。所有样品都显示一个 ：已孔 曲仆 仆 ¨佗 竹0 e ． 晰啪呲啪啪晰啪啪啪啪呲啪 啪啪o 图lZnO薄膜在k=l：1时不同溅射功率下的XRD谱 Figure1．X-raydiffracti