不同氧壓下脈沖激光沉積ＺｎＯ薄膜的研究

呂　珂

摘要:本文采用脈沖激光，在Si(001)襯底上生長ZnO薄膜，利用X射線衍射（XRD），原子力顯微鏡（AFM）等測試手段研究了不同氧氣壓力所生長的ZnO薄膜結構特征。研究表明：氧壓不同制備的ZnO薄膜質量也不同。在不同的氧氣壓力下（0Pa～50 Pa）生長ZnO薄膜，XRD表明10Pa的氧壓時有較強的(002)衍射峰和較小的半高寬。

關鍵詞:ZnO薄膜；脈沖激光沉積

1引言

近年來，短波長發光器件在信息存儲，全彩色顯示，照明，光催化，醫療和檢測設備等方面有著越來越廣泛的應用。而半導體發光器件具有體積小，壽命長，能耗少，以及可以集成，安全方便等特點，具有很大的應用優勢。因此研制高效率的短波長半導體發光器件一直是世界各國研究人員努力的目標。在發光材料選擇上，早期人們努力的目標是SiC和ZnSe，但經過幾十年研究，到現在仍然沒有達到實用水平。1990年代初期，GaN異軍突起，連續取得突破，并很快走向實用[1]。但是由于GaN生長溫度過高、對設備要求苛刻從而使GaN器件成本大大提高。因此人們從未停止過尋找新的發光材料，期望研制出性能更優、成本更低的短波長發光器件。其中ZnO就是備選替代材料中的佼佼者。

氧化鋅（ZnO）是一種直接帶隙寬禁帶（3.37eV）Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料，具有較大的激子束縛能（60meV）,可以在室溫下實現紫外光的受激發射和全色顯示，是繼GaN之后在半導體光電領域又一研究熱點。

ZnO薄膜的制作方法很多，主要有磁控濺射法（magnetron sputtering）[2]、溶膠凝膠法（sol-gel）[3]、噴霧熱解法（spay pyrolysis）[4]、分子束外延（MBE）、脈沖激光沉積（PLD）、金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）、原子層外延生長法（ALE）等。脈沖激光沉積是近年來發展起來的先進的薄膜生長技術，它是在高真空背景下用高能激光燒蝕ZnO靶材生成蒸發物沉積在加熱襯底上生長晶體薄膜的。

本文采用脈沖激光沉積方法在Si(001)襯底上生長ZnO薄膜，討論了不同氧壓的生長條件對ZnO薄膜結構的影響；用XRD對薄膜的結晶質量進行分析；用AFM對薄膜的表面形貌進行表征；

2實驗

本文采用脈沖激光沉積系統制備ZnO薄膜，純度為99.999%的ZnO靶作為濺射靶源，靶直徑為30mm，厚度為1.5mm。襯底為單面拋光的（001）硅片，Si(001)襯底用甲苯、丙酮、乙醇依次進行標準超聲清洗，然后用HF酸浸泡幾分鐘，最后用去離子水沖洗干凈后，實驗中裝入沉積裝置，激光源是一個波長為248nm的KrF準分子激光器。實驗時，激光的重復頻率都設定為3Hz，脈沖能量為220mJ/pulse，靶到襯底的距離是4cm，激光束聚焦到光斑大約為2mm²，為了獲得均勻膜層，在沉積時旋轉襯底，沉積ZnO薄膜前，先將背景真空預抽到5×10-4Pa真空度，再加熱Si襯底，當襯底加溫到所需溫度時，充入高純氧氣（99.999%）。生長ZnO薄膜時，將激光束聚焦到高純ZnO（99.999%）燒結靶上，生長時間都是2小時。氧壓變化時，襯底溫度為600℃，退火溫度為650℃，氧壓分別是0、1、5、10、20、50 Pa。繼而研究沉積氣壓對所沉積ZnO薄膜質量的影響。并且使用X射線衍射（Cu, Kɑ入射2θ掃描）分析不同ZnO薄膜的結晶特性；利用原子力顯微鏡（AFM）分析了不同ZnO薄膜的表面特性。

3結果與討論

3.1氧壓對ZnO薄膜結構特性的影響

圖（1）是600℃襯底溫度下，退火溫度為650℃，分別在0Pa、10Pa和50Pa時生長的ZnO薄膜的XRD曲線。除了50Pa的薄膜曲線有些粗糙之外，所有的薄膜都具有尖銳的（002）峰和平滑的曲線，說明薄膜具有較高的質量和高度c軸取向的，氧壓增加到50Pa時薄膜質量有所下降。

從表1可以看到50Pa的ZnO薄膜的（002）峰的半高寬要比其他壓強稍微寬點，也說明薄膜的質量有所下降，這與XRD曲線一致。這可能的原因是高氧壓條件下氧分子會阻礙ZnO束流順利地到達樣品表面。

3.2氧壓對ZnO薄膜表面結構的影響

氧氣壓力對氧化鋅薄膜表面結構的影響如圖(2)所示，氧氣壓力分別為1Pa、10Pa、20Pa。從圖中可以看出在低的氧氣壓力條件下形成的氧化鋅薄膜組織比較細小，在原子力顯微鏡下看不出明顯的晶界如圖2(a)。隨著氧氣壓力增加，晶粒尺寸增大如圖(b)，(c)。這是因為在低氧壓的條件下，激光燒蝕靶表面所濺射的離子體與氧原子碰撞幾率較低，因此沉積速率較快，晶核長大時間短導致晶粒細小。而在高氧壓的條件下，激光燒蝕靶表面所濺射的離子體與氧原子碰撞幾率較大，因此沉積速率慢，晶核有足夠的時間長大，最后導致晶粒粗大[5]。

4結論

利用脈沖激光沉積技術，在不同的氧氣壓力下（0Pa～50 Pa）生長ZnO薄膜。研究結果表明：隨著氧氣壓力的增大，衍射峰變強，晶粒尺寸變大，但到50Pa時(002)衍射峰變弱，FWHM變大。從晶體質量評價，10Pa氧壓生長的ZnO薄膜質量較好。

參考文獻：

[1]S.Nakamura,The Blue Laser Diode[M],Springer-verlag,93,356 (2000).

[2]UTHANNA S,SUBRAMANYAM T K,SRINIVASULU N,et al.Stru

cture-composition-propert.y dependence in reactive magnetron sputte-red ZNO thin films[J].Opto.Mater.,2002,19(4):461-469.

[3]LEE Jin-Hong, KO Kyung-Hee,PARK Byung-Ok. Electrical and Optical properties of ZnO transparent conducting films by the sol-gel method[J].J.Cryst.Growth,2003,247(1-2):119-125.

[4]LEE Y, KIM H, ROH Y. Deposition of ZnO thin films by the ultrasonic spray pyrolysis technique [J].Jpn..J.Appl.phys.,2001,40(4A):2423-2428.

[5]X.T.ZULUNhang,Y.C. Liu, Z.Z.Zhi,J.Y. Zhang,Y.M. Lu, W.Xu, D.Z. Shen,High intense UV-luminescence of nanocrystalline ZnO thin films prepared by thermal oxidation of ZnS thin films[J].Journal of Crystal Growth 2002;240:463-466.