p-Si衬底上生长ZnO薄膜的结构和性能

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本论文采用射频反应磁控溅射法,以高纯度的O2和Ar为溅射工作气体,在Si衬底上成功地制备了高质量的多晶ZnO薄膜,并且利用ZnO同质缓冲层提高了ZnO晶体的质量。采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM),光致发光谱(PL)和霍尔效应测试技术系统研究了溅射工艺和退火工艺对ZnO薄膜的厚度、成分、织构、表面形貌、光学性能和电学性能的影响规律。研究表明,磁控溅射工艺对ZnO薄膜的锌氧配比、厚度和织构都有很大影响。随着溅射气氛中氧氩比的减小,ZnO(002)峰明显加强,而工作气压的增加,并不利于ZnO择优取向生长。衬底温度的增加则有利于ZnO择优取向生长。缓冲层的厚度对薄膜的结晶质量和表面形貌有很大的影响,研究发现,缓冲层厚度36nm时,ZnO薄膜有最优的取向和最平滑的表面。退火能改善ZnO薄膜的锌氧比、c轴的择优取向和应力状态,减少薄膜中的缺陷,使晶粒长大,但是过高的退火温度不利于ZnO薄膜的重结晶,使ZnO薄膜的质量变差。研究发现,在空气中退火温度到400℃时,薄膜的应力由拉应力转变为压应力,600℃时,ZnO薄膜的半峰款最窄。在对ZnO薄膜的光致发光谱的研究中发现,ZnO薄膜的光致发光谱中一般都有两个波段的发光峰,一个位于紫外波段,一个在可见光波段。紫外峰来自于ZnO薄膜的自由激子发光,而可见光则来自于ZnO薄膜中的缺陷能级。在对ZnO薄膜的霍尔效应测试中发现,一般情况下,ZnO薄膜都为n型导电,n型导电主要来自ZnO薄膜中的Zn间隙,而且霍尔迁移率与ZnO薄膜中的锌氧比和结晶质量都有很大的关系,随着锌氧比偏离化学计量比,霍尔迁移率提高,同时结晶质量的提高也有利霍尔迁移率的提高。在Ar气保护下,对富氧条件下生长的ZnO薄膜的退火后的霍尔测量中发现,ZnO薄膜呈现p型导电状态,分析认为,这可能是由于富氧状态下生长的ZnO薄膜中过量的O在Ar气保护下退火没有逸出薄膜,反而进入了ZnO薄膜的间隙位置,成为正电中心,使ZnO薄膜呈现p型导电。
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