磁控溅射法制备ZnO薄膜及光电导探测器的研制

发布时间：2019-07-17 06:34

【摘要】： ZnO是一种宽禁带半导体材料,激子复合能高,在紫外区具有高的光电导特性,电子诱生缺陷低,外延生长温度低、成膜性强,有利于制备高性能的紫外探测器。本论文用磁控溅射法制备了ZnO薄膜,研究了制备工艺对ZnO薄膜的结构和性能的影响；然后用电子束蒸发法蒸镀Al/Au接触电极,制备了ZnO基光电导型紫外探测器,并对其性能进行检测。主要内容和结果如下： (1)研究了衬底温度对ZnO薄膜的结构和性能的影响。随着衬底温度升高,ZnO薄膜趋向球状生长,并且颗粒尺寸逐渐增大；体载流子浓度逐渐增加,迁移率和电阻率逐渐减小。当衬底温度为600℃时载流子浓度最高为3.465×1019／cm3,迁移率和电阻率最小分别为0.8051cm2/v·s、0.238Ω·cm。由于膜内部缺陷和应力的影响,衬底温度为600℃时禁带宽度最大为3.28eV。 (2)研究了溅射功率对ZnO薄膜结构和光电性能的影响。当功率为130W时,制备的ZnO薄膜的颗粒尺寸最均匀,XRD的衍射峰半高宽最窄,载流子浓度、电阻率最小分别为4.52×1016／cm3和4.85Ω·cm,迁移率最大为17.68cm2／v-s。随着溅射功率的增大,制备的ZnO薄膜的禁带宽度由3.25逐渐增大到3.27。 (3)研究了工作压强对ZnO薄膜结构和光电性能的影响。从0.5Pa到2.0Pa,随着溅射压强的增大,ZnO薄膜的颗粒呈现先增大后减小的趋势。当溅射压强在1.5Pa时,制备的ZnO薄膜表面颗粒最均匀,结构最致密,当压强为1.0Pa时,制备的薄膜应力最小为1.164GPa。当溅射压强为1.5Pa时,半高宽最小,薄膜晶粒尺寸最大为18.4nm。制备的ZnO薄膜在可见光范围内具有良好的透过特性,在紫外光波段具有良好的吸收特性,禁带宽度在2.0Pa下最小,为3.252eV。 (4)研究了退火温度对ZnO薄膜结构和性能的影响。随着退火温度的升高,ZnO薄膜的颗粒尺寸逐渐增大,半高宽逐渐减小,结晶程度逐渐变好。随着退火温度的升高,电阻率先增大后减小,体载流子浓度先减小后增大,迁移率先增大后减小。 (5)研究了不同的叉指结构对探测器性能的影响。用电子束蒸发法制备了Al/Au叉指电极,制备了ZnO基MSM光导型紫外探测器并对其性能进行了检测。实验发现,金属Al与ZnO能形成很好的欧姆接触,探测器在1.5V的偏压下有明显的紫外光响应,在紫外光波长的响应度为6.37A／W。并且叉指间距越小,响应度越大,响应时间越短。
文内图片：纤锌矿Zno晶体的结构示意图

图片说明：只有立方衬底上才有可能形成亚稳态的闪锌矿结构，而只有在高压下才有可能形成盐岩矿结构的ZnO。主要介绍纤锌矿结构的ZnO晶体，其晶体结构示意图(如图1.1)，晶格常数和基本物理参数如表1.1所示。纤锌矿ZnO晶体具有六方对称性，每个锌原子和它周围的四个氧原子构成锌氧四面体排布，锌氧四面体的底面与ZnO晶体的。(0001)面平行，，锌氧四面体的顶角正对向ZnO晶体的c(0O0一l)面，并且四面体中沿。轴方向的锌氧键比其他方向的锌氧键键长要小，因此ZnO晶体具有极性。由于ZnO的极性存在，纤锌矿结构ZnO的Zn(0001)极化面和。(0002)极化面具有特殊的光电特性[‘’一‘，l
文内图片：

图片说明：在一相对稳定真空状态下，阴阳极间产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中正离子受阴极之负电位吸引加速运动而撞击阴极上之靶材，将其原子等粒子溅出如图2.3所示。at01n几t0lll图2.3溅射和溅射后的原子运动模型 Fig2.3ThemodelofsPutteringandtheatomiemotionaftersPuttering图2.3中的大球代表被电离后的气体分子，而小球则代表将被溅镀的靶材。即当被加速的离子与表面撞击后，通过能量与动量转移过程(如图2.4)，低能
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：O484.1

【引证文献】