磁控溅射法在Si表面上生长的ZnO薄膜的阴极射线荧光.pptVIP

磁控溅射法在Si表面上生长的ZnO薄膜的阴极射线荧光 许小亮*1) ,2)，徐军2)，郭常新2)，施朝淑2) 1)????? 中国科学技术大学实验教学中心，安徽 合肥 230026 2)????? 中国科学技术大学物理系，安徽 合肥 230026 *E-mail: xlxu@ustc.edu.cn 目 录 1．引 言: ZnO薄膜的紫外激光 2. 硅衬底上ZnO薄膜的制备及其结构特性 薄膜的制备 光学跃迁：不同温度退火后的ZnO薄膜的阴极射线光谱 掠入射X射线衍射谱 3.小结 1.引 言 ZnO材料简介，特点和用途 不同衬底材料的比较 Si作为衬底的优越性和需要注意的问题 缓冲层的生长 在Si衬底上生长ZnO薄膜的几种方法之比较 退火对ZnO薄膜的晶体质量和发光特性的影响 ZnO材料简介，特点和用途 第三代宽禁带光电功能材料的代表之一 ZnSe(1990),SiC(1992),GaN(1994),ZnO(1996) 1）直接带隙的宽禁带半导体材料 2）能隙 3.37eV[1], 束缚激子能 60 meV, 与其它几种宽禁带发光材料如ZnSe(束缚激子能22 meV), ZnS(40 meV)和GaN (25 meV)相比, ZnO是一种合适的用于室温或更高温度下的紫外光发射材料 3）生长温度较低 不同衬底材料的比较 在选择衬底的时候应考虑的因素： （i） 衬底材料的晶体结构要匹配; （ii）晶格失配必须尽可能地小； （iii）热膨胀系数的差距亦应尽可能地小。 (iv) 价格因素 Si作为衬底的优越性和需要注意的问题 Si是最便宜的一种衬底材料 结构：立方晶体，常数a = 5.43 ?， 晶格失配较大(ZnO: a = 3.252?) 。 缓冲层的作用：减少应力； 减少晶格失配 Si与ZnO薄膜之间缓冲层的生长 1.SiO2 缓冲层。 但缓冲层上外延ZnO材料的XRD谱中，ZnO（002）峰的半宽度都大于0.3°，因此，晶体质量不理想 2.低温生长ZnO作为缓冲层。 3.利用Zn作为缓冲层。 可使（002）峰的半宽度达到0.2°,晶体质量得到了提高 2. 硅衬底上ZnO薄膜的制备及其结构特性2.1. 薄膜的制备 Si（100）面 上，在纯Ar气氛中生长一层约10nm厚度的Zn隔离层 ；在生长ZnO薄膜时，同时在真空系统中通入Ar（50%）+ O2（50%）的混合气体作为反应气体，压力保持在2×10-2Torr，衬底温度保持在400℃，溅射功率为15W，经过约1小时的反应，可得到200nm厚的ZnO薄膜。 表2 . ZnO样品的退火温度和薄膜颜色的变化Table 2. Annealing condition and variation of sample colour of ZnO films 2.2. 光学跃迁：不同温度退火后的ZnO薄膜的阴极射线光谱（CL） 一般情况 ZnO晶体的荧光发射谱有两个峰： --- 390nm附近的“紫外峰” 。是激子发射. (激子态的产生，对晶体质量非常敏感。晶体质量下降到一定程度时，从XRD图像上来看，还存在较明显的取向，但发射光谱中激子峰却消失了。) --- 505nm的宽带“绿峰”，产生于缺陷发光 (包括“施主-受主对”跃迁)。 由图可见，各个样品都存在着“紫峰”和“绿峰”两个发射带，但随退火条件的不同，两个发射带的峰值强度和峰位有很大的变化，同时峰的半高宽也产生了相应的变化: 原生: 380nm, 弱 ; 510nm, 强 600oC: 387nm, 稍强; 515nm,稍弱 800oC: 400nm,很强;520nm，弱 950oC: 390nm,弱;525nm，强 原生—800oC样品紫峰的变化: 峰位红移,峰强迅速增加(是由于退火导致ZnO薄膜晶体质量的改善，从而使得激子的发光机制发生改变所致:由自由激子到EHP发射) 950oC样品:紫峰峰强急剧下降 绿峰峰位的变化:由505nm红移至525nm, 同时谱带的宽度变窄 . AFM图像(下页)所显示的结果 :即随着退火温度的升高，薄膜的表面形貌发生由六角向四角晶相的相变，这种相变是不彻底的，包含着六角和四角两种相。随着退火温度的升高，四角相有增加的趋势，这有可能是硅锌化物的产生而导致的 ZnO , Zn2SiO4微晶粉末(4N)的CL发射谱的比较 CL发射谱的进一步证实 即Zn2Si04 的CL发射谱是峰位位于525nm附近的较窄的发射带。而ZnO微晶粉末（4N）的CL发射谱证实，较强的紫峰（380nm）很窄，而较强的绿峰（505nm）则是很宽的发射带。 结 果 （1）原生