磁控溅射制备ZnO薄膜的结构及发光特性研究

1、 第9期光谱学与光谱分析202950mrn。本底真空为2.5×10一Pa,控制溅射过程中的工作气压为0.75Pa,Ar和Q表观质量流量分别为10和6mL rain,.基片温度分别控制在室温,150,250及350,样品依次记为1,2,3,4号。样品制备过程中射频溅射功率控制为85W,样品沉积时间1h。薄膜的结构分析采用BDX3200型衍射分析仪(Cu Ka,A -0.15406nm在争2臼模式下进行,用SPl3800N型多功能扫描探针显微镜进行形貌表征。样品的PI。谱采用Hitachi F-4500型荧光分光光度计测量,采用氙灯作激发源,激发光波长320rln2。样品的吸收谱采用La

2、mbda35Uv/Vis光谱仪测量。所有测量在室温下完成。2结果及讨论2.1衬底加温对ZnO薄膜结构的影响图1所示为不同衬底温度下制备的ZnO薄膜的XRD 谱。其中曲线(1(4分别对应于衬底温度控制在室温150, 250及350时所制备样品的XRD谱,即依次对应1号、2号、3号、4号样品。从衍射谱中可以看出,随着衬底温度从室温至350依次升高,(002衍射峰相对强度随衬底温度升高有很显著的增加,薄膜c轴择优取向变好,而当衬底温度超过250以后,(002峰相对强度变小,并且出现了其他晶向的衍射峰,文献13中也有类似的结果。我们认为这可能是因为玻璃衬底与ZnO薄膜的热膨胀系数不同,当衬底温度接近3

3、50时,薄膜表面出现了细微裂纹,表面粗糙度增大。Gupta“j等在关于ZnO薄膜高温退火的研究中观测到了这种裂纹的存在,这种细微裂纹的出现导致薄膜c轴取向性变差。300024001800l2006002040f;08(20Meg.Fig.1XRD patterns of ZnO films at differentsuhstrate temperatures1:RT;2:150;3:250;4:350原子和氧原子在衬底上吸附后,由于原子的能量较低,无法迁移到能量最低的品格位置,薄膜的缺陷较多,因此薄膜的(002取向性较差,衍射峰相对强度较弱i15。衬底温度的升高为薄膜表面原子或分子的迁移提供了

4、能量,衬底温度升高,原子获得足够的扩散激活能,迁移率增大,较为有序的占据晶格位置,使得具有较低表面能的晶粒由于温度升高得以长大,薄膜的结晶质量变好161,而当衬底温度接近350时,虽然晶粒尺寸进一步增大,但由于薄膜表面可能出现细微裂纹而导致薄膜的c轴取向性变差。1.0等0.8i壹o.60.4OFig.2100200300400Substrate”mperatu忡/FWHM and grain size of ZnO films asa function of substrate temperature图3所示为SPl3800N型多功能扫描探针显微镜测得样品的AFM图,其中上图为衬底加温150时

5、制备的样品,下图为衬底加温350时制备的样品。可以看出,随衬底温度升高,晶粒尺寸增大,这与XRD对样品晶粒尺寸变化趋图2所示为不同衬底温度下所制备样品(002取向衍射峰的半高宽(FWHM及晶粒尺寸随衬底温度的变化关系图。样品晶粒尺寸的计算采用Scherrer公式d一0.9A/艮。的(1其中A为X射线波长(约0.1546nm,0和口分别为布喇格衍射角及半高宽,计算所得的晶粒尺寸分为7.78,8.67,13.65,17.36nlTl。结合图2可以看出,随衬底温度从室温至350逐渐升高,(002衍射峰半高宽逐渐减小,晶粒随衬底温度的升高逐渐长大。当衬底温度较低时,溅射的锌Fig.3AFM micro

6、scopic of ZnO thin films 奄c冒_lom 埔M j m 8 磁控溅射制备ZnO薄膜的结构及发光特性研究 作者： 作者单位： 徐小丽， 马书懿， 陈彦， 张国恒， 孙小菁， 魏晋军， XU Xiao-li， MA Shu-yi， CHEN Yan， ZHANG Guo-heng， SUN Xiao-jing， WEI Jin-jun 徐小丽,马书懿,孙小菁,魏晋军,XU Xiao-li,MA Shu-yi,SUN Xiao-jing,WEI Jin-jun(西北 师范大学物理与电子工程学院,甘肃,兰州,730070， 陈彦,张国恒,CHEN Yan,ZHANG Guohe

7、ng(西北民族大学电子材料国家民委重点实验室,甘肃,兰州,730030 光谱学与光谱分析 SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS 2008，28(9 2次 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次数： 参考文献(22条 1.Tang Z K.Wong G K L.Yu P 查看详情 1998 2.孙萍.熊波.张国青 查看详情期刊论文-光谱学与光谱分析 2007(01 3.商红凯.张希清.姚志刚 查看详情期刊论文-光谱学与光谱分析 2006(03 4.Marotti R E.Giorgi P.Machado G 查看详情 2006 5.Ashour A.Kaid

8、M A.El-Sayed N Z 查看详情 2006 6.Lin Bi-xia.Fu Zhu-xi.Jia Yun-bo 查看详情 2001 7.孙成伟.刘志文.张庆瑜 查看详情期刊论文-物理学报 2006(01 8.朋兴平.杨扬.耿伟刚 查看详情期刊论文-发光学报 2005(04 9.Ramamoorthy K.Sanjeeviraja C.Jayachandran M 查看详情 2006 10.傅竹西.林碧霞.祝杰 查看详情期刊论文-发光学报 2001(02 11.Lin Sushia.Huang Jowlay.Liib Dingfwu 查看详情 2004(02 12.刘志文.谷建峰.付伟

9、佳 查看详情期刊论文-物理学报 2006(10 13.Gong Hengxiang.Wang Yinyue.Yan Zhijun 查看详情 2002 14.Gupta V.Mansingh A 查看详情 1996(02 15.Kim Kyoungkook.Song Jaehoon.Jung Hyungjin 查看详情 2000 16.Yang Chengtao.Zeng Zeyu.Chen Zhu 查看详情 2006 17.Kim Kwangsik.Kim Hyounwoo.Lee Chongmu 查看详情 2003 18.李伙全.宁兆元.程珊华 查看详情期刊论文-物理学报 2004(03 1

10、9.徐彭寿.孙玉明.施朝淑 查看详情期刊论文-中国科学A辑 2001(04 20.孙成伟.刘志文.秦福文 查看详情期刊论文-物理学报 2006(03 21.ZHANG Deheng 查看详情 1996 22.Vanheusden K.Warren W L.Seager C H 查看详情 1996 相似文献(10条 1.期刊论文 谷建峰.刘志文.刘明.付伟佳.马春雨.张庆瑜.Gu Jian-Feng.Liu Zhi-Wen.Liu Ming.Fu Wei-Jia.Ma Chun-Yu.Zhang Qing-Yu Si(001基片上反应射频磁控溅射 ZnO薄膜的两步生长方法 -物理学报2007,5

11、6(4 利用反应射频磁控溅射技术,采用两步生长方法制备了ZnO薄膜,探讨了基片刻蚀时间和低温过渡层沉积时间对ZnO薄膜生长行为的影响.研究结果表明 ,低温ZnO过渡层的沉积时间所导致的薄膜表面形貌的变化与过渡层在Si(001表面的覆盖度有关.当低温过渡层尚未完全覆盖基片表面时,ZnO薄膜的表面 岛尺度较小、表面粗糙度较大,薄膜应力较大;当低温过渡层完全覆盖Si(001基片后,ZnO薄膜的表面岛尺度较大、表面粗糙度较小,薄膜应力较小.基片刻 蚀时间对薄膜表面形貌的影响与低温过渡层的成核密度有关.随着刻蚀时间的增加,ZnO薄膜的表面粗糙度逐渐下降,表面形貌自仿射结构的关联长度逐渐 减小. 2.学位

12、论文 汪冬梅 ZnO薄膜和Al掺杂ZnO（ZAO）薄膜的射频磁控溅射制备及其性能研究 2006 ZnO是一种-族的宽带隙直接带结构的多功能材料，为六角纤锌矿结构。ZnO薄膜由于具有优异的压电、光电、气敏、压敏等特性，近年来受到广 泛关注。Al掺杂的ZnO(ZAO透明导电膜作为一种重要的光电子信息材料也得到了广泛的研究，ZAO薄膜具有与目前已得到广泛应用的ITO薄膜可比拟的光 学、电学性质，而且在高温条件下，它的成分不易与氢发生互扩散，因此在活性氢和氢等离子体环境中化学稳定性高，不易使太阳能电池材料活性降低 ，是最有开发潜力的透明导电薄膜，可望成为ITO薄膜最佳的替代者，推动廉价太阳能电池的发展

13、。 本文利用射频磁控溅射技术完成了ZnO薄膜和Al掺杂ZnO(ZAO薄膜的制备，并对所制备的薄膜进行了退火处理。利用X射线衍射(XRD、扫描电子显微 镜(SEM、X射线光电子能谱(XPS、荧光光谱仪、光谱仪、四探针测试仪等对制备的ZnO薄膜进行了表征和性能研究。 研究表明，制备工艺尤其是衬底温度和退火处理能显著影响薄膜的晶体、光学和电学性能。就ZnO薄膜而言，衬底温度为300时，薄膜的择优取向 最强，空气中500退火能使薄膜的结晶性能最好，而无论是原位沉积薄膜还是退火后的薄膜的可见光区平均透光率均超过85；对Si(111衬底上沉积 的ZnO薄膜进行退火处理，薄膜的结晶质量得到提高，与深能级发射

14、有关的缺陷浓度有所减少。对于ZAO薄膜，原位沉积的薄膜电阻率可达2.59cm，可 见光区透过率约为70。薄膜的低电阻率是通过Al掺杂和薄膜中的化学计量比偏移获得，但是Al掺杂在降低薄膜电阻率的同时会引起杂质散射，因此 ZAO薄膜的可见光区透过率较ZnO薄膜会有所下降，光学带隙由于Burstein-Moss效应会有所增大。500纯Ar气氛中退火1h后，ZAO薄膜的透光性能和导电 性能均有所改善，ZAO薄膜可见光区平均透过率从70提高到80左右，薄膜的电阻率从2.59cm降低到0.13cm。 3.期刊论文 朱慧群.丁瑞钦.ZHU Hui-qun.DING Rui-qin 射频磁控溅射掺氮ZnO薄膜

15、的制备与表征 -半导体技术 2006,31(7 以ZnO为靶材,采用射频磁控溅射法,在衬底温度为450、混合气体压强为1.3Pa的条件下,在石英玻璃和抛光单晶硅衬底上沉积了一系列呈六角纤锌 矿结构、沿(0002晶面高度取向生长的ZnO薄膜.利用X射线衍射、四探针、原子力显微镜、吸收光谱和光致荧光光谱等实验分别对薄膜样品的晶体结构、 表面形貌和光电特性进行了分析表征.结果表明,氮对ZnO薄膜的缺陷有明显的钝化作用,气体组分、溅射功率是影响ZnO薄膜沿C轴择优取向生长、结构特 征和光电性质的重要因素. 4.学位论文 邱骏 射频磁控溅射法制备TiO<,2>，ZnO薄膜及性质研究 2007

16、 在材料科学的各个分支中，薄膜材料科学的发展一直占据了极为重要的地位。TiO2,ZnO薄膜具有优良的介电、压电、气敏和光催化等功能，在微电 子、光学、传感器和光催化等方面有着重要的应用。 分别以高纯金属钛、锌为靶材，氧气为反应活性气体，采用射频磁控溅射法制备金属薄膜以及以射频磁控反应溅射法沉积金属氧化物薄膜，对制备 的金属薄膜在不同的温度下空气气氛中进行热处理，开始反应生成各自的金属氧化物。对以射频反应磁控溅射法沉积金属氧化物薄膜在马弗炉中不同温 度下加热进行退火处理。 沉积的金属钛薄膜在马弗炉中加热，易向金红石相的。TiO2薄膜转变，而沉积的非晶氧化钛薄膜在退火条件下容易向锐钛矿相转变。金属

17、锌薄膜在 马弗炉中加热反应后生成纤锌矿相氧化锌薄膜，但是薄膜表面比较疏松起翘。 采用紫外-可见分光谱测试TiO2、ZnO薄膜的透射率，研究氧气流量、退火温度对薄膜透射率的影响；以扫描电镜考察氧气流量变化对TiO2、ZnO薄膜 表面形貌的影响；以拉曼光谱(Raman和X射线衍射(XRD对薄膜的晶型形态进行了测试和分析。 对所制备得到的TiO2薄膜进行亲水性和光催化性能测试。 5.期刊论文 黄飞.孙仲亮.孟凡明.孙兆奇.HUANG Fei.SUN Zhong-liang.MENG Fan-ming.SUN Zhao-qi 射频磁控溅 射ZnO薄膜的微结构与光学特性 -真空电子技术2008(2 研究

18、了膜厚对ZnO薄膜微结构和光学性能的影响.采用射频磁控溅射法在单晶硅(111和玻璃基片上制备了不同厚度的ZnO薄膜.通过X射线衍射、原子 力显微镜和紫外可见光谱对薄膜进行了表征.结果表明薄膜结晶性能良好,在(002晶面具有明显的c轴取向.随着薄膜厚度的增加,透射率下降,吸收边红移 ,禁带宽度逐渐减小. 6.期刊论文 高晓红.王超.马占敖.迟耀丹.杨小天.GAO Xiao-hong.WANG Chao.MA Zhan-ao.Chi Yao-dan.YANG Xiao-tian ZnO薄膜的射频磁控溅射制备及性能研究 -光机电信息2008,25(12 采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备出高质量的Z

19、nO薄膜.对薄膜的结构和性能进行了研究.所制备的ZnO是具有六角纤锌矿结构的多晶薄膜,最佳择 优取向为(002方向.ZnO薄膜的霍尔迁移率和载流子浓度分别为8×104m2/(V·s和11.3×1020 cm-3. 7.学位论文 余花娃 射频磁控溅射法制备氧化锌薄膜及其特性的研究 2007 ZnO是一种新型的-族直接带隙化合物半导体，禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV具有六方纤锌矿结构。ZnO薄膜具有广泛的应用，如ZnO薄 膜可以制成表面声波谐振器、压电器件、压敏器件、透明电极、气敏传感器、导电膜等。近年来，随着短波器件的广泛应用，直接宽带半导体材料的研

20、 究越来越受人们的重视，对氧化锌薄膜材料的研究和开发在国内外科学界及工业部门引起了极大的关注和兴趣。 ZnO薄膜制备的主要方法有：磁控溅射、金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积、分子束外延、电子束蒸发沉积、喷雾热分解、溶胶.凝胶法、薄膜 氧化法等。各种方法各有优缺点。根据需要制备相应的高质量的薄膜是ZnO薄膜应用的关键，同时制备成本也是必须考虑的重要因素。通常认为理想 ZnO薄膜具有高的c轴择优取向。磁控溅射在最佳条件下可以得到均匀、致密、有良好的c轴取向性和可见光波段透明性好等优点的薄膜，使得它成为在 ZnO制备中研究最多并且使用最广泛的方法。本课题采用RF反应磁控溅射制备了ZnO薄膜并对其进

21、行探索性研究。研究内容主要包括：射频磁控溅射工艺 条件对ZnO薄膜结构特性和表面形貌的影响、对ZnO薄膜光学特性的影响，以及ZnO发光机理的探讨。薄膜的结构特性用XRD进行了分析，薄膜的表面形貌 通过原子力显微镜进行表征，薄膜的透射光谱用紫外.可见双光束分光光度计进行测量，发光性质用光栅光谱仪进行了分析。 研究结果表明利用射频磁控溅射法工艺，在功率为100W，真空度为2×10<'-4>Pa，靶基距为70mm左右，溅射时间为60分钟，基片为单面抛光的 (100硅片，基片温度200、氩氧比为2：3的条件下得到了结晶质量良好的ZnO薄膜；通过退火可以使薄膜应力得到驰豫，

22、降低缺陷浓度，改善薄膜的结 构特性。本实验采用射频磁控溅射的方法，探索出制备ZnO薄膜的最佳工艺条件，最终在(100硅衬底基片上制备出了较高c轴取向的ZnO薄膜。但是由于 试验条件限制，在发光试验的测试中，我们只观察到了在350nm处的一个明显的发射峰和在480nm处的微弱的峰，对此本文也进行了探索性分析。 8.期刊论文 宋学萍.周旭.孙兆奇.SONG Xue-ping.ZHOU Xu.SUN Zhao-qi 射频磁控溅射ZnO薄膜的结构和应力特性 -合肥工业大学学报（自然科学版）2007,30(9 用JGP560I型超高真空多功能磁控溅射仪在Si(111衬底上制备了ZnO薄膜.采用X-Ray

23、衍射仪和电子薄膜应力分布测试仪等对其微结构和应力进行了测 试分析.研究结果表明,ZnO薄膜具有良好的c轴择优取向;随着薄膜厚度的增加,薄膜中的平均应力减少;膜厚为744 nm时平均应力、应力差均最小,分别为 5.973×108 Pa、6.159×108 Pa,应力分布较均匀. 9.学位论文 顾金宝 ZnO薄膜的制备与性能研究 2007 ZnO薄膜是一种具优良的压电、光电、气敏、压敏等性质的材料,在透明导体、发光元件、太阳能电池窗口材料、光波导器、单色场发射显示器材料 、高频压电转换、表面声波元件、微传感器以及低压压敏电阻器等方面具有广泛的用途.ZnO薄膜的制备方法多样,各具

24、优缺点,而薄膜性质的差异不仅取 决于不同的掺杂组分,并与制备工艺紧密相关.本文研究采用两种不同的方法制备ZnO薄膜:一是采用射频磁控溅射制各ZnO薄膜;二是采用离子束溅射锌膜 然后在氧气氛炉中退火氧化制备ZnO薄膜. 第一章介绍了ZnO薄膜的晶体结构、制备方法、性能以及关于ZnO薄膜的国内外的研究进展概况. 第二章研究射频磁控溅射和离子束溅射制备ZnO薄膜.内容包括射频磁控溅射的基本原理和离子束溅射的基本原理,射频磁控溅射ZnO薄膜制备的基本 过程,离子束溅射制备ZnO薄膜的过程. 第三章研究射频磁控溅射工艺参数以及退火工艺对ZnO薄膜结构、形貌的影响.工艺参数方面主要是通过对沉积时间分别为30min和60min的ZnO薄膜的 结构与形貌进行对比分析,发现随着溅射时间的增加,薄膜的结晶性得到改善,颗粒尺寸增加,薄膜表面粗糙度降低,其次退火工艺方面研究了未退火的 ZnO薄膜和经600退火的ZnO薄膜结构与形貌上的区别,发现经退火处理的ZnO