RF磁控溅射ZnO薄膜和掺钛ZnO薄膜材料制备及特性研究

发布时间：2018-10-08 13:02

【摘要】：薄膜是指通过某种手段将小粒子生长在基底片的表面所制备成的双维度材料,是一种具有薄而软特性的透明薄片。薄膜材料可以制备达到纳米级别的效果,在某些应用方面有着举足轻重的作用。薄膜材料有着和粉末材料大不一样的特性效果,例如它的独具特色的小尺度效应。于是薄膜研究在半导体器件应用方面有着无可比拟的优势,此外它还在光学器件的性能改善方面有着重要作用,达到更高效率的光学设计应用领域。氧化锌(Zn O)是目前比较火的半导体材料,它属于氧化物系列,性能比较优良。其有着3.37e V的宽禁带宽度与60me V的高激子束缚能。一般情况下六方纤锌矿结构是它的基本结构。Zn O在紫外发光二、三极管、稀磁半导体、电致荧光器件、薄膜晶体管、光伏电池等领域应用广泛。此外氧化锌薄膜在可见光波段有高透过性,原材料且具有存储量大、来源广、成本低、制备简单且易掺杂等优点,使得氧化锌拥有极其广泛的应用前景,氧化锌薄膜更是受到了广泛关注。本文首先通过运用射频磁控溅射的制备方式来制取得到Zn O薄膜,同时利用共掺杂方式进行了Ti掺杂Zn O薄膜的研究,在不同溅射功率、氧分压、时间、衬底温度及不同衬底上制取Zn O薄膜,然后对薄膜的晶体结构、光学吸收度及透过率、光致发光等特性采取了相关表征分析,并且研究分析了不同条件所产生的不同影响,对Ti掺杂Zn O薄膜及条件对它产生的性能影响进行了些许的探究讨论。得出结论如下:1.研究了各种工艺参数条件对制备Zn O薄膜有何特性影响。(1)在FTO衬底上,低功率溅射不管多久时间或在较高功率下溅射较短时间时,Zn O薄膜都处于不定向结晶状态,没有Zn O择优衍射峰位出现;Si(p/n)衬底在低功率溅射时间达到很长时才会出现c轴择优生长;蓝宝石衬底是最容易制备成沿c轴择优生长的Zn O薄膜。结晶性好的衬底从好到差依次是蓝宝石衬底,Si衬底(p),Si衬底(n),FTO导电玻璃。(2)所有氧化锌薄膜样品在330nm到370nm的紫外波段内,对紫外光有着强烈吸收。所有FTO衬底氧化锌薄膜都有着高达90%的可见光透射率,其中尤其以氩氧比处在20:10的情况下,其透射率达到最高状态,而纯氩时,对应的薄膜样品有着最低的透射率。此外,我们可以发现除了氧分压为20:20(sccm)外,当氧分压变大时,Zn O薄膜材料的吸收边发了明显的“蓝移”现象。同时紫外发光峰位也发生了微弱的蓝移,这结论是一致的。此外,FTO衬底样品光致发光光谱都有三个波长分别为395nm、475nm与495nm附近的发光峰,且氧分压为20:10时,所对应的的薄膜本征发光性能强度达到最强,说明氧分压在20:10时,这种情况的Zn O薄膜有着比较好的结晶质量。(3)在薄膜样品大多数在较低镀膜功率或较低镀膜时间(不能太低)时,样品薄膜生长特别缓慢,制得膜层结构稳定,受量子尺寸效应影响,光致发光特性更强烈。如不同溅射功率影响的40w,简单溅射时间影响的20min,以及低功率下精细不同时间的FTO衬底的3h、蓝宝石衬底4h、N型Si衬底的3h(当然除P型Si衬底比较特殊,是10h时发光最好)。(4)在蓝宝石衬底上低功率溅射时的精细时间变化下,3h及以后,随着溅射时间增长,粒径平均尺寸变大,衍射峰变强,结晶效果变好;此外,还可以看出,在溅射时间2h到6h逐渐增加时,衍射峰位在向高角度偏移,说明氧化锌薄膜晶面间距d(002)在先变小,当溅射时间继续高达8h时,峰位偏向低衍射角度,说明晶面间距又变大。2.研究了衬底种类、重Ti掺杂溅射功率比在对掺钛Zn O薄膜的各种表征方面有哪些特性变化影响。在衬底影响方面,蓝宝石衬底样品的结晶质量更好,表现为特别良好的c轴择优生长,且平均晶粒尺寸更小,但FTO与蓝宝石衬底样品在高功率溅射制备时都表现为多晶;其次,蓝宝石衬底样品发光性能更好,而且明显蓝宝石衬底样品的非本征发光峰强度弱于本征发光峰强度,所以蓝宝石衬底样品发光性能受缺陷影响更小。在重掺杂Ti共溅射功率比影响方面,随着Ti溅射功率的变强,Ti重掺杂量的会大幅度变大,虽然Zn O样品的还沿c轴择优生长,但衍射峰强度有变低的趋势。然而其半高宽呈现变宽的趋势,平均晶粒尺寸变小;除了160:40外,掺钛Zn O薄膜的紫外吸收强度在增强;重掺杂Ti量掺太多会降低薄膜的荧光发光特性,160:40样品本征发光峰比较纯净单一,发光性更好。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN304.21;O484

【参考文献】