生长温度对磁控溅射ZnO薄膜的结晶特性和光学性能的影响_孙成伟.docVIP

------------------------------------------------------------------------------------------------ —————————————————————————————————————— 生长温度对磁控溅射ZnO薄膜的结晶特性和光学性能的影响_孙成伟 第55卷第3期2006年3月1000-3290 2006 55(03) 1390-08 物　理　学　报 ACTAPHYSICASINICA Vol.55,No.3,March,2006 c2006Chin.Phys.Soc. 生长温度对磁控溅射ZnO薄膜的结晶特性 ＊ 和光学性能的影响 孙成伟 1) 　刘志文 1) 　秦福文 1) 　张庆瑜 1) 　刘　琨 2) 　吴世法 2) 1)(大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,大连　116024) 2)(大连理工大学物理系,大连　116024) (2005年8月10日收到;2005年8月27日收到修改稿) 　　采用反应射频磁控溅射方法,在Si(100)基片上制备了具有高c轴择优取向的ZnO薄膜.利用原子力显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射分析、拉曼光谱等表征技术,研究了沉积温度对ZnO薄膜的表面形貌、晶粒尺度、应力状态等结晶性能的影响;通过沉积温度对透射光谱和光致荧光光谱的影响,探讨了ZnO薄膜的结晶特性与光学性能之间的关系.研究结果显示,在室温至500℃的范围内,ZnO薄膜的晶粒尺寸随沉积温度的增加而增加,在沉积温度为500℃时达到最大;当沉积温度为750℃时,ZnO薄膜的晶粒尺度有所减小;在室温至750℃的范围内,薄膜中ZnO晶粒与Si基体之间均存在着相对固定的外延关系;在沉积温度低于500℃时,制备的ZnO薄膜处于压应变状态,而750℃时沉积的薄膜表现为张应变状态.沉积温度的不同导致ZnO薄膜的折射率、消光系数、光学禁带宽度以及光致荧光特性的变化,沉积温度对紫外光致荧光特性起着决定性的作用.此外,探讨了影响薄膜近紫外光致荧光发射的可能因素. 关键词:ZnO薄膜,表面形貌,微观结构,光学常数 PACC:7280E,6855,7855 过渡层对ZnO在(001)取向的Al2O3基体上的层状 1.引言 生长是有利的;Ko等人 [14] 在研究Zn O原子比对等 离子体辅助下ZnO分子束外延生长行为的影响中 ZnO具有纤锌矿晶体结构,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.氧化锌作为新一代的宽带半导体材料,具有广泛的应用,如ZnO薄膜可以制成表面声波谐振器 [1] 发现ZnO薄膜的生长是受气氛中的O浓度所控制的,并给出了生长过程中ZnO表面重构结构变化的 相图.这些有关生长行为的研究结果,对于制备高质量的ZnO薄膜具有重要价值. 反应磁控溅射作为一种低温沉积技术,近年来在ZnO薄膜的制备中受到人们的广泛关注.然而,由于反应磁控溅射过程所涉及的控制参数比较多,实验工艺相对复杂,使得人们对ZnO薄膜的生长行为及结晶特性的了解还不够深入.目前采用反应磁控溅射方法制备的ZnO薄膜的光学特性不很理想,一般不经过退火处理很难获得比较强的室温紫外受激发射.在溅射气压、Ar O2气体比例、放电功率等众多工艺参数中,我们发现沉积温度对ZnO薄膜的生长行为起着至关重要的作用,并决定着ZnO薄膜的光学性能. ,压电器件 [4] [2] ,GaN蓝光薄膜的过渡层 [5] [3] 以及透 明导电膜等.自从1998年Tang等人报道了ZnO薄膜的光抽运近紫外受激发射现象以后,ZnO再次成为当今半导体材料研究领域的热点. 目前,ZnO薄膜研究的重点之一是高质量ZnO薄膜的制备问题.人们探索了多种薄膜合成技术的ZnO薄膜制备工艺,如分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、脉冲激光沉积(PLD)、溶胶-凝胶(sol-gel)和反应磁控溅射 [8] [9—12] [6] [7] [5] 等,研究了不同基片 [13] 及过渡层对ZnO薄膜质量的影响,并取得了一些有价值的研究成果.例如,Chen等人 发现MgO作为 ＊国家自然科学基金(批准号:50240420656)资助的课题. 3期孙成伟等:生长温度