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ZnO 薄膜结构与制备工艺相关性研究

(理学院材料科学与工程系材料科学与工程专业王质武)
(学号:1999143241)

内容提要:用 RF 反应溅射法通过改变 PAr/PO2、衬底温度、退火温度等工艺参数,较为
系统地探索了在 Si 衬底上所制备的 ZnO 薄膜的特征,并采用 XRD 对这些薄膜的结构特征
进行测试分析,计算得到晶粒大小与用 AFM 所测结果相吻合,得到了具有良好 c 轴择优取
向、结晶度高的 ZnO 薄膜。
关键词:ZnO 薄膜 RF反应溅射结构特征工艺参数
教师点评:本论文用 RF 磁控溅射方法制备了 ZnO 薄膜,在真空条件下对样品进行了
退火处理,并对所制备薄膜的 XRD 谱进行了观测。通过分析 XRD 谱,系统的研究了薄膜
生长条件:PAr/PO2、衬底温度及退火温度等因素与 ZnO 薄膜结构特性的相关性;并由 XRD
谱图计算出晶粒大小,其结果与 AFM 所测结果相吻合。
论文结构合理,重点突出,文字流畅。实验数据真实可靠,实验结果分析概念清楚,依
据充分,推论合理。论文结果对优化 ZnO 薄膜的制备工艺,提高材料的性能有实际意义。
(点评教师:马晓翠副教授)

0 引言
近几年人们对宽禁带半导体产生了极大的兴趣,目的是寻找能产生短波长的发光材料用
以制造蓝光发光二极管及蓝光激光器。目前己制造出 GaN、ZnSe 等蓝光发光材料,并用这
些材料制成高效率的蓝光发光二极管和激光器。这可使全色显示成为可能,用 GaN 所制造
出的蓝光激光器可代替 GaAs 红外激光器使光盘的光信息存储密度大大提高,这将极大地推
动信息技术的发展。但这些蓝光材料也有明显的不足, ZnSe 激光器在受激发射时容易因温
。而 GaN 材料的制备需昂贵的设备、缺少合
适的衬底材料、需要在高温下制造及薄膜生长的难度较大。找到性质与之相近的发光材料,
并克服 GaN 材料的不足具有重要意义[1]。ZnO 材料无论是在晶格结构、晶格常数还是在禁
带宽度上都与 GaN 很相似,对衬底没苛刻的要求而且很易成膜,被认为是很有前途的材料。
同时 ZnO 材料在室温下具有高的激于束缚能(约 60m eV),在室温下该激子不被电离,激
发发射机制有效,这将大大降低室温下的激射阈值。
目前,对 ZnO 薄膜的研究主要集中在以下几个方面:优化生长参数,选择合适的衬底,
特别是通过生长缓冲层,获得较好结晶质量的外延薄膜;抑制杂质和缺陷,降低背景电子浓
度实现 ZnO 的转型,获得 P 型材料,如 Minegishi 等人则利用氮作掺杂剂实现了 ZnO 薄膜
的低浓度 P 型掺杂[2];提高载流子的迁移率;实现 ZnO 薄膜的电致发光[3]文献关于 ZnO 薄
膜光学性能的研究一般基于蓝宝石衬底[4],而基于硅衬底的研究直到最近几年才有所进展,
如果能够在硅衬底上生长 ZnO 薄膜,将薄膜光学器件与传统的硅平面工艺相结合,具有重
要的意义[5]。直流反应磁控溅射沉积 ZnO 薄膜,具有沉积速率高反应衬底温度低、能有效
地抑制固相扩散,薄膜与衬底之间界面陡峭等优点。溅射法得到的 ZnO 薄膜均匀、致密、
有良好的取向性和高的可见光波段透过率,而且溅射法工艺简单、容易实现掺杂、成本低、
尾气无污染、 ZnO 薄膜.
考虑到溅射法的上述优点,采用 RF 反应溅射法在普通玻璃衬底上制备了具有高度 c 轴取向性
的透明多晶 ZnO 薄膜。
1
本文通过四探针、XRD、AFM 研究 ZnO 薄膜生长条件与晶体性质的关系,其目的在于
找到最佳沉积条件制备具有高度 c 轴取向性的 ZnO 薄膜。
1 ZnO 薄膜的制备
实验装置
本实验使用的是 JPG560CⅢ型超高真空多功能磁控溅射设备,如图 1 所示。使用纯度
%的 ZnO 陶瓷烧结靶。
磁控溅射设备基本结构与组成如下:
:主溅射室为由ф560×H 250(mm),系全不锈钢梨形结构多窗口的反应室。
主溅室内装有:①磁控靶:由ф60,4 支,坐落在真空室下底盘上,其中永磁靶 2 支和电磁
靶 2 支;②衬底基片水冷(带加热)转盘,即可以手动又可微机控制公转到位;②主溅射室下
底盘通过 CFl50 闸板阀下口安装一个液氮冷阱,充加液氮,用以提高系统本底真空度;④靶
挡板:靶挡板用以开始起辉瞬间遮挡靶极,做炼靶之用。当靶材被溅射出新鲜表面时即可打
开挡板溅射;⑥衬底基片挡板:在 6 片衬底基座处只开一个孔,露出一个衬底基座,此衬底
挡板