择优取向ZnO薄膜的EFMS技术制备及光学性能研究

发布时间：2020-06-22 17:09

【摘要】：ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族宽带隙半导体材料。由于氧空位和锌间隙引起的半导体的自然掺杂是n型的,这使得ZnO具有良好的透光性、高电子迁移率以及室温下的发光性能很强等特性。其良好的透明性可以作为透明电极应用在各种用电器的显示屏上、还可以作为热保护窗口以及作为薄膜晶体管和发光二级管的电子器件等领域,具有很好的实用价值。如今ZnO薄膜的制备技术有很多种。其中磁控溅射技术因其镀膜速率快、成本相对比较低廉、且制备的ZnO薄膜的光学性能较好等优点被广泛应用。但该技术制备的薄膜在晶粒取向、晶粒尺寸和薄膜表面粗糙度等方面有待提高。本文制备ZnO薄膜用到的是经过改进的磁控溅射仪器,改进的方式是在衬底的前方加入一个不锈钢金属制成的过滤电极,改进后的技术称为EFMS技术。该技术制备的薄膜表面均匀性好、结晶取向明显、半高宽较窄,结晶质量好,进而使其光学性能得到改善。本论文采用EFMS技术分别探究不同沉积条件对r、a、c、m蓝宝石衬底上生长的ZnO薄膜的结构、择优生长和光学性能的影响。本论文内容如下:(1)首先在r面(11-20)蓝宝石衬底上通过改变沉积温度、沉积压强和氧氩流量比制备了三组ZnO薄膜。分别利用XRD、SEM研究ZnO薄膜的结晶取向和表面形貌。薄膜的光学性质利用紫外/可见/近红外分光光度计和椭偏仪进行测试。结果显示:(1)在r面衬底上制备的ZnO均只有(1-102)衍射峰,说明制备的ZnO沿着(1-102)取向生长,即r面蓝宝石生长的是a面的ZnO薄膜。(2)温度系列中随着温度升高,(1-102)峰的半高宽开始变宽,结晶质量随着温度的升高变差,表面颗粒长大,粗糙度增大。(3)沉积压强系列中压强为0.75Pa时膜表面颗粒均匀、致密。(4)氧氩比系列中氧氩比为5:5时,薄膜结晶最好,晶粒较小,折射率在可见光范围变化缓慢。(2)其次分别选取a面(11-20)、c面(0001)和m面(10-10)蓝宝石作为制备ZnO薄膜的衬底。在a面、c面蓝宝石衬底上通过改变沉积温度制备ZnO薄膜,研究沉积温度对薄膜结构和性能的影响。其次在m面蓝宝石上改变氧氩比参数,研究氧氩比对m面蓝宝石衬底上生长的ZnO的结构以及光学性能的影响。结果发现:(1)在a、c面蓝宝石衬底上制备的ZnO薄膜均只有(0002)和(0004)衍射峰,这说明在a、c面蓝宝石上制备的均是c面ZnO薄膜。(2)m面衬底上生长的ZnO薄膜择优生长随着氧氩比变化明显,氩气较多或者较少均不利于ZnO薄膜的择优生长。氧氩比为5:15时,只有ZnO薄膜的(10-10)和(20-20)衍射峰,说明m面蓝宝石上生长的是m面的ZnO薄膜。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O484
【图文】：

晶型,晶体结构,纤锌矿

图 1.1 ZnO 三种晶型的晶体结构图六边形结构具有 6 mm (Hermann-Mauguin notation)或 C6v (Schoenflnotation)的点群，并且空间群是 P63mc 或 C6v4。晶格常数的 c/a～1.60 接近于角晶胞的 c/a=1.633[7]。与大多数 II-VI 族材料一样，ZnO 中的键主要是 Zn2+O2-，其中 Zn2+的半径为 0.074 nm，O2-的半径为 0.140 nm，这种性质是纤锌优先形成的原因，而不是闪锌矿结构[8]。由于 Zn-O 键为极性，锌和氧带电，了保持电中性，在大多数相关材料中，这些键在原子水平上重建，但是在 Zn结构中则不然，其表面原子上平坦、稳定且不显示重建。ZnO 的这种反常现没有得到充分解释[9]。然而，根据对 Wurtzoid 结构的研究解释了 ZnO 纤锌矿面平坦性的起源和而且除了 ZnO 平面上电荷的起源之外，在 ZnO 纤锌矿表面有重建。ZnO 立方岩盐矿结构复杂，其中 Zn 原子位于（0、0、0），O 原子位于（1/1/2、1/2）。常压下该结构的 ZnO 不存在，只有在压强高达 10GPa 左右时，锌矿结构的 ZnO 将会发生结构上的改变，变成岩盐矿结构[10]。

表面形貌,磁控溅射镀膜

滤磁控溅射技术及薄膜表征方法滤磁控溅射技术（EFMS）技术真空室内部结构及过滤电极结构本文中用到的直流磁控溅射镀膜机，它的内部结构图如直流磁控溅射镀膜机内部的衬底支架上安装一个不锈极，该过滤电极与靶材保持平行，而且使电极接地。2.3 所示。该过滤电极的引入将会改变反应室内电磁场离子体中的电子的运动进行干扰，电子运动发生偏转向，因此过滤电极的引入就会起到过滤电子的效果。衬底的电子减少，薄膜受到电子的撞击将会减弱，这晶质量将会变好，而且表面颗粒大小将会均匀，从而，实现改善薄膜结晶取向、表面形貌以及光电性能的

【参考文献】