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直接宽禁带半导体材料ZnO是第三代半导体材料的典型代表,其薄膜材料在光电、压电、气敏传感器、集成光学、透明导电薄膜等领域具有广阔的应用。本文采用RF磁控溅射法在玻璃和Si(111)衬底上制备ZnO薄膜,并对薄膜的结构性质、电学性能、光电性能等进行了表征。
在玻璃衬底上采用低磁控溅射功率(LP)沉积ZnO同质缓冲层,热处理后再在其上制备ZnO薄膜,系统地研究了LP缓冲层制备功率、缓冲层厚度、热处理条件等对其上沉积的ZnO薄膜性能的影响。实验表明,引入同质LP缓冲层后,可在较宽的RF功率范围内(30-500W)制备出(002)定向指数达0.97以上的ZnO薄膜,所有薄膜的电阻率均大于10<8>Ω·cm;随LP缓冲层厚度提高,ZnO薄膜的(002)定向性趋好,其结晶质量、晶粒均匀性、表面平整度等都得到改善,电阻率变化不大,并且薄膜具有较高的带边发射(NBE)强度,缺陷能级发光峰(PL)减弱;缓冲层溅射功率的提高不利于其上生长的ZnO薄膜(002)的定向;适当的热处理能提高ZnO薄膜的C轴取向性和结晶性能。本文还提出了LP缓冲层的生长过程模型,认为缓冲层厚度在超过一(002)取向渐变区后,才能提高后续沉积薄膜的定向性。
首次采用多步法在玻璃衬底上制备ZnO薄膜,研究了RF功率对多步法ZnO薄膜性能的影响。结果表明,在30-300W的RF功率范围内,均可制得晶粒均匀致密、(002)定向性好的薄膜,但溅射功率的继续提高会影响薄膜的表面形貌。随溅射功率的升高,薄膜的可见光透过率降低,带隙变窄(从3.33eV降至3.28eV),电阻率也从2.8×10<10>Ω·cm降至2.5×10<8>Ω·cm。本文建立了多步法生长薄膜的模型,认为通过沉积、热处理、再沉积、再热处理的过程,可逐渐填充ZnO薄膜内部的孔洞,从而制备出高质量的ZnO薄膜。
在Si(111)衬底上沉积不同功率的ZnO薄膜,与玻璃衬底上薄膜(LP缓冲层上制备或多步法制备)的性能进行对比研究。实验表明,在100-500W的功率下,玻璃衬底上(LP缓冲层上制备或多步法制备)的薄膜的(002)定向性均接近Si(111)衬底上薄膜;薄膜的结晶质量、表面平整度、晶粒的均匀性、致密性等均优于Si(111)衬底上薄膜:Si(111)衬底上的ZnO薄膜中内应力较大,导致薄膜局部开裂。对不同条件下制备的薄膜的拉曼光谱研究表明,除ZnO的特征拉曼峰外,在高功率溅射条件下,还首次发现了1080cm<-1>处非常尖锐的拉曼峰,且其峰强随功率升高而增强。1080cm<-1>处的拉曼峰可能是由Zni缺陷在ZnO晶格中的有序分布而形成某种形式的超晶格引起的。