磁控濺射法制備ZnO薄膜的光學特性分析

徐井華,崔 舒,漢 語,劉成有

(通化師范學院 物理學院，吉林 通化 134002)

1 引言

ZnO是一種具有六角纖鋅礦結構的寬禁帶半導體材料，室溫下禁帶寬度約為3.37eV，激子束縛能卻高達60meV，由于具有較大的束縛能，激子更易在室溫下實現高效率的激光發射,是適用于在室溫或更高溫度下應用的短波長發光材料[1-3].磁控濺射法是20世紀70年代迅速發展起來的一種高速濺射技術，最初用于沉積金屬和光學薄膜.隨著現代技術的不斷完善，磁控濺射也逐漸被用來制備半導體薄膜[4-6].本文采用磁控濺射法在藍寶石襯底上生長了ZnO薄膜，然后不同溫度退火處理，研究退火溫度薄膜的結構、紫外透射、室溫光致發光、表面形貌等的影響.

2 實驗過程

2.1 襯底清洗

將藍寶石襯底依次用甲苯、去離子水、丙酮、去離子水、甲苯超聲清洗30分鐘，最后用大量流動的去離子水沖洗基片表面.將基片放入烘箱烘干備用.

2.2 濺射鍍膜

實驗采用了射頻反應濺射的方法來制備薄膜，實驗用薄膜生長設備為北京泰科諾科技有限公司生產的真空多靶磁控濺射鍍膜儀，其優點為可以多靶共濺射，且薄膜在生長過程中襯底可以勻速旋轉，有利于提高薄膜樣品的均勻性.

濺射過程設置參數為：鍍膜時間為2h時，薄膜的生長過程中保持 Ar 的壓強在 0.55Pa，Ar 的流量速率為 10SCCM，電源功率在 80W，基底旋轉速度設定為10r/min.

2.3 退火處理

熱退火技術是薄膜材料制備過程中一種常用的方法.磁控濺射所得的薄膜樣品在制備過程中會在薄膜內部留下內應力，形成一些缺陷，如晶粒粗大、帶狀組織、偏析等，為了改善薄膜質量，消除缺陷，通常要進行退火處理，得到最優異的薄膜性能.本實驗中將樣品置于馬弗爐中退火，藍寶石襯底的樣品退火溫度分別設定為800℃、900℃、1000℃、1100℃.退火時間1h，隨爐冷卻至室溫，得到一系列ZnO薄膜.

3 測試分析

3.1 X射線衍射譜分析(XRD)

薄膜的結構和生長質量采用 X 射線衍射儀來進行研究.圖1是不同退火溫度下的XRD衍射圖譜，XRD譜顯示ZnO薄膜樣品為六角纖鋅礦結構， 所有樣品的XRD譜線都有六個衍射峰，分別對應Zn0的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)和(103)衍射峰，衍射峰均無明顯的擇優取向，衍射峰均較寬，這可能是較大的粒子尺寸分布所致.可以看到，所有ZnO薄膜樣品均表現出(100)、(002)和(101)衍射峰，且三峰強度相當，隨退火溫度升高，三峰強度均增加后又小幅減弱，綜合看來，1000℃退火條件下的樣品具有最好的晶體結構.

圖1 樣品XRD圖譜

3.2 紫外透射光譜分析(UVS)

圖2 樣品室溫透射光譜

從圖2中看到，所有的樣品都在 380nm 附近有一個較陡的透射邊，這對應ZnO薄膜樣品的本征發光區域，可以發現透射邊隨著退火溫度的升高，樣品的透射邊逐漸發生了藍移后又發生了紅移，說明當退火溫度升高之后會有更多的缺陷被填充，使 ZnO 的結晶性能更趨于良好，所以會使光學帶隙變寬，在透過率圖譜上則顯示為透射邊向短波方向移動，這也與有關文獻描述一致[7].隨著退火溫度的繼續升高，高溫會造成ZnO 分解而形成的缺陷也會促進吸收邊的紅移.

3.3 光致發光光譜分析(PL)

圖3是薄膜樣品分別在800℃～1100℃退火條件下的低溫光致發光譜，從圖譜可以看到樣品具有較好的發光特性.不同退火溫度下的樣品都有380左右的紫外本征發光峰和黃綠光部分的缺陷發光.1100℃退火樣品的本征藍紫發光最強，這個發光普遍認為是由于近帶邊(NBE)發射引起的，其余溫度的樣品黃綠缺陷發光較強，普遍被認為與自由激子復合有關[8].此發光峰主要是由于深能級缺陷而引起的，因為 ZnO 退火后引起的大量的缺陷使其出現強度很大的發光峰，從而使3.37eV 的 ZnO 特征峰減弱，這說明并不是退火溫度越高，薄膜樣品的光學性能越好.

圖3 樣品PL光譜

3.4 表面形貌分析(AFM)

薄膜的表面形貌不僅影響樣品的物理化學特性，而且與薄膜制備條件、晶體結構等存在內在的聯系.表面形貌對于透明導電薄膜的光學和電學特性具有重要的影響.采用日本精工生產SPII-3800型的原子力顯微鏡對樣品進行表面形貌的測試.測試結果如下：四個溫度的濺射樣品表面均呈現顆粒狀生長的面貌，且表面顆粒分布都比較均勻，但不同的退火溫度引起了顆粒尺寸大小不同，900℃退火下的樣品顆粒尺寸最大.

圖4 樣品AFM形貌圖

4 結果討論

磁控濺射鍍膜樣品的透射邊隨著退火溫度的提高發生藍移又紅移現象，所有樣品都有比較好的發光性能，1100℃退火條件下樣品的紫外發光較好，800℃、900℃、1000℃退火條件下樣品有較好的缺陷發光特性.900℃退火的樣品的表面形貌平整度最好，粒子分布均勻.

參考文獻：

[1]Fei Gao,Xiao Yan Liu.Microstrcture and opticl properties of Fe-doped ZnO thin films prepared by DC magnetron sputtering [J].Journal of Crystal Growth，2013，371：126-129

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[3]呂建國,葉志鎮,陳漢鴻，等.直流反應磁控濺射生長p型ZnO薄膜及其特性的研究[J].真空科學與技術,2003,23(1):5-8.

[4]文軍,陳長樂.RF濺射釹摻雜ZnO薄膜的結構與發光特性 [J].發光學報2008,29(5):856-861.

[5]T. M. Williams, D. Hunter, and A. K. Pradhan ，Photoinduced piezo-optical effect in Er doped ZnO films[J].Applied Physics Letters，2006，89：043116.

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[7]張瑞芳.理論和實驗研究稀土摻雜對ZnO能隙的調控作用[D].內蒙古：內蒙古大學化學化工學院，2007.

[8]杜繼龍.P型 ZnO 的制備與研究[D].蘇州:蘇州大學, 2010.