p型zno薄膜磁控溅射工艺的研究

p型zno薄膜磁控溅射工艺的研究

zno膜（尤其是p-zno膜）的制备和电光能耗的研究是目前光源行业的研究热点。磁控噪声是p-zno膜的主要制备方法之一。然而，目前报道的p-zno膜的磁控制造工艺差异很大。有一般应用意义的技术研究对p-zno膜的开发和开发具有重要的实践意义。我们研究所成功应用zno陶瓷靶射频率落基法和金属zn靶射频率反应法，在高混合si的si片上沉积zno膜。在传输和灭火过程中，p从si的底部扩散到zno膜，并在应用zno陶瓷靶的情况下形成p-zno膜。为了确保“氧气充足”，在吸收沼泽中吸收o2的情况相对较高。例如，20%50%的原始实验分析结果表明，在zno膜中，o2的质量约为zn的1.4.2.0倍。过高的非化学比例会影响p-zno膜的结晶质量。实验还表明，o2的比例越高，zno膜的成膜率越低。通过降低ap排放，我们可以仍然确保获得p-zno膜。此外，为了减少p的溢出，吸收过程的衬底温度应尽可能低，但可达到最佳水平。250是可以操作的。考虑到这些因素，我们对zno膜微观结构的影响进行了研究。1zno薄膜沉积ZnO薄膜试验样品共有6个(编号1~6).6个样品共同的溅射沉积条件和过程:应用中科院沈阳科仪中心制造的FJL450E型磁控溅射与离子束复合溅射设备,以ZnO为靶材,以Ar和O2作为溅射气体,采用射频磁控溅射方法,在高掺P(1.3×1020/cm3)、厚度为300μm的抛光Si片上沉积ZnO薄膜;溅射室的本底真空为4.0×10-4Pa,ZnO靶的纯度为99.99%,Ar和O2纯度为99.999%;溅射功率为140W,气压0.5Pa.除了上述的制备共同工艺条件之外,6个样品经历了不同的制备过程,如表1所示.1号样品在制备ZnO薄膜后,先在Si衬底的下表面溅射Al电极,然后在ZnO表面罩上掩膜,溅射2个Al电极.于是“Al电极/ZnO薄膜/n-Si衬底/Al电极”多层结构制备完毕.ZnO薄膜的相结构特性应用北京大学生产的BD90型XRD(X射线衍射)仪测试,辐射源为Cu—kα.“Al电极/ZnO薄膜/n-Si衬底/Al电极”多层结构中ZnO/n-Si结构的整流特性应用本所的I—V特性测试装置进行测量.2结果与分析2.1zno薄膜的热性能XRD实验结果如图1和表2所示.图中,1、2、3、4号谱线分别为1、2、3、4号样品相应的衍射谱线,5.1、5.2、6.1、6.2号谱线分别为5.1、5.2、6.1、6.2号样品的衍射谱.由衍射谱线及相关表1可以得到如下分析和讨论.1)1、2、3、4号谱线在20°~45°范围内存在非晶态ZnO线包,其中2、3、4号谱线的线包面积随着退火温度的升高而逐渐减小,在700℃下线包面积虽已减到很小但依然可见;而5.1、5.2、6.1、6.2号谱线都不存在着非晶态线包.这些说明,先在较低的衬底温度(如t≤250℃)下溅射沉积,再退火的ZnO薄膜,其结晶度不如先在较高衬底温度(如t≥350℃)下溅射沉积,再退火的ZnO薄膜的结晶度高;也不如在更高的衬底温度(如t≥450℃)下溅射沉积而不退火的样品的高.2)1、2、3号样品的XRD谱中,在2θ=15.4°附近都存在着一个衍射峰,而4号样品未出现此衍射峰.查粉末X射线衍射手册可知此峰为ZnO的衍射峰,但未知其密勒指数.由此可见,在低温(如250℃)下沉积的ZnO薄膜,只有经较高的温度(如700℃)退火才能成为有较高的C轴取向的纤锌矿晶体.3)由表2可知,5.2号、6.2号样品的2θ峰位分别比5.1号、6.1号的低,半高峰宽也比5.1号、6.1号的窄.这说明经再次高温退火,(0002)晶面的面间距增大,原来的压应力有所缓解,晶粒尺寸有所增大.从衍射强度来看,5.2号的比5.1号的有所提高,结合峰位的降低和半高峰宽的变窄,可以说,在较低衬底温度(350℃)下溅射沉积后,经不太高温度(450℃)和不太长时间(30min)退火的样品,经再次高温退火,样品的结晶质量有所提高.另外,6.2号的衍射强度下降幅度很大,原因是经过再次高温退火,在其它2θ角度,如44.591°、50.532°出现了强度较弱的衍射峰,原来高C轴取向的状态被破坏,如图2所示.因此,对于溅射时衬底温度高于450℃的样品,再次在空气中作高温退火是不必要的、有害的.4)由1号、2号样品衍射强度的比较可知,在同样低衬底温度下溅射沉积的样品,在相同的退火温度和时间下,在氮气中退火优于在空气中退火.5)4号样品的衍射强度比5.2号的强得多,原因可能有两个,一是ZnO薄膜厚度的差别,二是5.2号样品经历了二次退火,可能产生一些新缺陷.4号样品ZnO薄膜厚度为1.13μm,5.2号的为0.85µm.厚度差别主要起因于制备时Ar、O2体积比的差别,V(Ar)︰V(O2)比例越大,成膜速率就越大.2.2p型zno薄膜的制备1号样品的ZnO/n-Si结构的整流特性如图3所示.样品的整流曲线正向开启电压约为1V,反向击穿电压大于3V.由于整流曲线正反两个方向很不对称,所以ZnO一侧应该属于p型,即ZnO薄膜在高温退火过程中,n-Si中的磷原子向ZnO扩散并被激活到晶格格位上去,使本征n型的ZnO薄膜转变为p型薄膜.这与我们研究所以往制备的p型ZnO有同样的原理,低形成能的PZn-2VZn复合缺陷结构起着一个浅受主的作用.1号样品是在较大的Ar、O2体积比,但仍属于富氧的气氛中溅射沉积的,如上所述,在这样的气氛中可以有较大的溅射成膜速率,因此采用较大的Ar、O2体积比来制备p型ZnO薄膜是值得参考的好方法.值得指出的是,当ZnO薄膜的P掺杂浓度较低(如小于1017/cm3)时,为了得到良好的欧姆接触电极,必须选用功函数大的金属材料(如Ni、Ag等)做电极,以形成反阻挡层.但在本实验中,我们采用了功函数低的Al作为电极材料也得到良好的欧姆接触.这是因为采用上述的扩散法制备的ZnO薄膜中含有1019/cm3量级的P浓度(二次离子质量谱实验结果将另文发表),在这样高的P掺杂下,Al电极和p型ZnO薄膜间形成的势垒的宽度很小,因而穿越势垒的隧道电流占主导地位,使电流电压关系近似为线性.3zno薄膜的制备综上所述,本实验的主要结论如下:1)在富氧的前提下,较高的Ar、O2体积比(如10︰1)气氛中同样可以生长出p型ZnO,而且生长速率远比低Ar、O2体积比的大,这