氧氩比与溅射功率等对Al掺杂ZnO薄膜结构和光学特性影响的研究.pdf

西北师范大学
硕士学位论文
氧氩比与溅射功率等对Al掺杂ZnO薄膜结构和光学特性影响的研
究
姓名:李勇
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态物理
指导教师:马书懿
2009-06
西北师范大学硕士学位论文
摘要
ZnO是一种具有六方纤锌矿结构的直接带隙宽禁带半导体材料, 其晶格常
数a = , c = , , 激子结合能为
60meV, 因此在发光二极管、蓝紫光激光器等方面都有很好的应用价值. 近年
来, 由于ZnO的p型掺杂以及ZnO稀磁半导体的发展, 已经形成了ZnO的研究热
潮。在光电子学、光化学、微电子学等领域,ZnO必将成为未来半导体材料研
究中最具前景的材料之一。目前, 高质量ZnO薄膜的制备是Ⅱ- Ⅵ族氧化物半导
体的研究热点之一。研究者们探索了制备ZnO的多种方法, 如化学气相沉积
法、金属有机物化学气相沉积法、分子束外延法、射频磁控溅射法、脉冲激光
沉积(PLD) 法等。
本论文中,为了系统的研究制备条件对ZnO纳米薄膜显微结构及其光学特
性的影响,用射频反应磁控溅射技术在玻璃衬底上制备出了具有c 轴高择优取
向的ZnO薄膜样品,应用X射线衍射仪、紫外-可见分光光度计、荧光分光光度
计关于Al的掺杂量、溅射功率、氧氩比对于ZnO薄膜样品结构及其光学特性的
影响作了详细的分析研究。结构分析部分研究结果表明,所制备样品的半高
宽、晶粒尺寸作为掺杂量、溅射功率以及氧氩比的函数时表现出规律性的变
化;合适的溅射功率以及溅射氧氩比有利于提高ZnO薄膜的结晶质量;当工作
气压恒定时,用射频反应磁控溅射制备的ZnO薄膜的生长行为主要取决于成膜
空间中氧的密度。对样品进行光吸收谱测量,观察到薄膜在紫外区显示出较强
的光吸收,在可见光区的平均透过率达到80%以上。随着溅射功率的升高,薄
膜的光学带隙减小、吸收边红移;随着氧氩比的不断增大,薄膜样品的光学带
隙表现出不同的实验值。在室温下测量样品的光致发光谱(PL),观察到波长位
于468nm左右的蓝色发光峰及502nm左右微弱的绿光峰。实验发现,随溅射功
率升高,样品的PL谱中蓝光强度迅速增大,同时,绿光峰的强度也表现出一定
程度的增强。经分析得出锌填隙是引起蓝光发射的主要原因,502nm左右的绿
光峰应该是氧的深能级缺陷造成的,并结合对样品吸收谱的拟合结果作了进一
步的验证。
关键词:ZnO薄膜;射频磁控溅射;X射线衍射;光学特性
I
西北师范大学硕士学位论文
Abstract
Wurtzitic ZnO is a wide-band gap ( at room temperature) semiconductor
material which has many applications in blue and UV light emitters. The main
advantages of ZnO as a light emitter are its large exciton binding energy (60 meV),
with the lattice constant,. In recent years, the new interest in ZnO has recently
culminated because of the several researches, such as n-doped ZnO, ZnO based DMS
materials. Indeed, ZnO has found numerous applications in such diverse areas as
optoelectronics, photochemistry, microelectronic. At present, the preparation of high
quality ZnO is a hotspot inⅡ-Ⅵ oxide semiconductor. The preparative technique of
ZnO have been researched by many researchers, such as chemical vaporous
deposition, chemical vaporous deposition pounds, molecular
beam epitaxy, . ron sputtering, pulsed laser deposition, etc. In this paper