表面处理蓝宝石基片对ZnO薄膜性能的影响

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氧化锌(ZnO)的室温禁带宽度约为3.37eV,激子结合能高达60meV。 ZnO作为新型半导体材料,在透明导电电极、表面声波器件、气体传感器、紫外(UV)激光和光电器件等方面有着广泛的应用前景。实现室温紫外受激发射对ZnO结晶质量有较高的要求,探索ZnO薄膜的生长行为、改善薄膜的结晶质量,对于发展ZnO基光电器件具有重要意义。蓝宝石具有6次对称性,成本相对较低,是ZnO薄膜生长的常规衬底材料。有研究报道,蓝宝石(0001)基片经高温退火后,可获得原子级平滑表面,有益于MOCVD方法生长的ZnO薄膜的结晶质量的改善。但由于缺乏比较系统的结晶质量分析,实验证据不足。本文重点研究了蓝宝石基片高温退火处理对基片表面形貌和ZnO薄膜结晶质量的影响。利用原子力显微镜、X射线衍射和荧光光谱对蓝宝石基片和薄膜的表面形貌、薄膜的外延关系、晶粒尺寸、生长取向、荧光特性进行了系统分析。此外,还研究了ZnO种子层退火对ZnO纳米结构生长的影响。主要结果如下:1.大气环境下,蓝宝石基片经过高温退火,表面会形成清晰的台阶结构,台面呈原子级平滑。蓝宝石基片在大气环境下高温退火后,将导致ZnO薄膜的晶粒尺寸增加,但总体结晶质量下降;2.在纯氮气环境下,当退火温度高于900℃时,蓝宝石基片表面可能发生氮化;900℃氮气退火的蓝宝石基片表面粗糙度最小,台阶结构消失;随着退火温度的增加,蓝宝石基片表面呈现花瓣状半圆台阶形貌;蓝宝石在氮气环境下退火对ZnO薄膜的生长有一定影响。ZnO薄膜的摇摆曲线、φ扫描等结晶质量指标,随退火温度的增加反而下降;3.在不同温度下退火后,ZnO种子层的表面形貌发生很大的改变。随着退火温度的升高,ZnO种子层的晶粒变大,晶界变少,表面粗糙度下降非常明显。经1050℃退火后,ZnO种子层表面变得光滑、平坦,晶界基本消失。种子层的高温退火处理对ZnO的生长形貌有很大的影响。随着退火温度的提高,ZnO的生长从纳米棒逐渐转变为薄膜结构。
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