射频磁控溅射法制备ZnOAl2O3薄膜及其界面特性研究.doc.doc

射频磁控溅射法制备 ZnO/Al 2O 3 薄膜及其界面特性研究摘要: 近些年来,由于 ZnO 薄膜优异的性能,吸引着越来越多的人对其进行研究。人们尝试利用不同的方法制备 ZnO 薄膜,并研究了不同的实验参数对 ZnO 薄膜的生长和特性的影响。本文主要介绍了射频磁控溅射法制备出的 ZnO/Al 2O 3 薄膜的一些重要特性及外界条件对薄膜的影响,重点介绍了在 Al 2O 3( 0001 )表面 Zn O 薄膜的成核及生长机制,并与 Si( 100 )、( 111 )衬底上 ZnO 薄膜的生长机制作比照。讨论了不同条件下界面的特性对 ZnO 薄膜生长的影响。关键词: ZnO 界面特性磁控溅射沉积时间引言 ZnO 是一种新型的 II-VI 族宽禁带化合物半导体材料,室温下的带隙宽度为 【1 】, 原料易得廉价,而且具有更高的熔点和激子束缚能以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷。此外, ZnO 薄膜的外延生长温度较低,有利于降低设备成本,抑制固相外扩散, 提高薄膜质量,也易于实现掺杂。ZnO 薄膜所具有的这些优异特性,使其在表面声波器件、太阳能电池等诸多领域得到了广泛应用。随着 ZnO 泵浦紫外受激辐射的获得和 p型掺杂的实现, ZnO 薄膜作为一种新型的光电材料,在紫外探测器、 LED 等领域也有着巨大的发展潜力。此外, ZnO 薄膜在太阳能电池、表面声波器件、气敏元件、压敏器件等领域的应用也很广泛。然而, ZnO 薄膜虽然在多个领域应用广泛, 但是其界面特性依然是影响其制作的半导体元件的性能的重要因素。目前对于界面的研究和优化的措施还相对较少。对于产生不同界面特性的影响因素,不同的人也有着不同的看法,赵朝阳,李锐鹏【2 】等人认为由于ZnO 外延膜和衬底之间有较大的晶格失配和热失配,会导致 ZnO 薄膜的晶格畸变,从而影响它的光学和电学性能。所以,了解 ZnO 外延膜与衬底界面处的结构,是十分必要的。本文主要介绍了射频磁控溅射法制备出的 ZnO/Al 2O 3 薄膜的一些重要特性,讨论了不同条件下界面的特性对 ZnO 薄膜生长的影响。对于优化 ZnO 薄膜的生长条件,制备高质量的 ZnO 薄膜有重要的意义。一、 ZnO 与 Al 2O 3 结构及生长意义 1、 ZnO 结构 ZnO 是II-VI 族化合物半导体材料,具有纤锌矿结构和六方对称性(如图所示)晶格常数 a= ?,c= ? 。每个 Zn 原子与最近邻的四个 O 原子构成一个四面体结构, 同样,每个 O 原子与最邻近的四个 Zn 原子也构成一个四面体。 Zn和O 原子相互四面体配位,因而 Zn和O原子在位置上是等价的。这种开放式的排列结构导致了间隙原子的形成焓比较低,半径小的组成原子容易变成间隙原子,由于原子半径的不同,Zn原子半径较 O小, ZnO 中锌间隙原子浓度比较高。除此之外, ZnO 还是一种直接带隙宽禁带半导体材料,在常温常压下是纤锌矿结构。常温下的帯隙宽度为 ,与 GaN 、 ZnS 相比,ZnO 具有更高的自由激子结合能,激子束缚能为 60meV 。 ZnO 薄膜的发光特性与晶体内的缺陷有着密切的关系,通过对 ZnO 晶体结构的分析可以得到晶体的缺陷有肖脱基缺陷包括 Zn 、 O 原子的异位和空穴,另一类为弗兰克尔缺陷包括 Zn 、 O 原子的间隙中挤入异类原子。尤其是在与蓝宝石界面的相互作用下 Zn O 薄膜中更加容易形成不同种类的缺陷, 正是这些缺陷很大程度的决定着制备的 Zn O 薄膜的特性。因此,了解 ZnO 结构中的缺陷对制备出高质量的 ZnO 薄膜是非常有帮助的。 2、 Al 2O 3 晶面生长 ZnO 薄膜的意义α— Al 2O 3,又称刚玉,六方密堆积结构。广泛地被用作制备 ZnO , AlN 等电子薄膜功能材料的基片。在薄膜材料的生长过程中,基片本身的表面结构、缺陷等强烈地影响薄膜生长的模式、形貌以及界面特性,从而对薄膜材料的功能起到决定性作用。在以往人们的研究中发现,基片的选择对 ZnO 薄膜的微观结构和光学性能有着很大的图1 纤锌矿 ZnO 的晶体结构图,其中 a 为晶格常数, b 为键长, α、β为键角图2 蓝宝石的晶体结构影响,Srinivasan 等分别在普通玻璃、石英、蓝宝石基片上制备了 ZnO 薄膜,结果显示在蓝宝石基片制备的薄膜具有更好光学性能和结晶质量。由于蓝宝石(Al 2O 3 )(0001) 具有六角对称结构,和 ZnO 有着相同的对称性,因此常常被用作生长外延 ZnO 薄膜的衬底。蓝宝石晶体与 ZnO 有着相似的结构,是一种具有菱面体结构并具有三重对称中心的单晶材料。晶体结构如图 2 所示,它有三个主要的方向,即: c 轴、 a 轴和 m 轴。此外, 蓝宝石单