真空蒸發(fā)法制備ZnO薄膜的研究

劉盛意，王祉鑫，李金玉，劉 闖

（大連東軟信息學(xué)院 遼寧 大連 116000）

1 引言

氧化鋅在光電領(lǐng)域的研究是最近10年才逐漸興起的。作為一種多用途寬禁帶半導(dǎo)體材料，ZnO的價格低廉、綠色環(huán)保，而且具有很高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因此一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的焦點。ZnO薄膜應(yīng)用很廣泛，如：橡膠、陶瓷和涂料等常用的工業(yè)領(lǐng)域。而要實際應(yīng)用于器件當(dāng)中，就要制備出高質(zhì)量的ZnO薄膜。因此，通過實際制備出高質(zhì)量的ZnO薄膜對ZnO的應(yīng)用會有重大的作用。

2 ZnO薄膜的制備

2.1 制備方法

本文采用的是熱蒸發(fā)方法制備ZnO薄膜，熱蒸發(fā)方法制備ZnO薄膜具有操作簡單，價格低等優(yōu)點，因而適合應(yīng)用于工廠的批量生產(chǎn)。本次實驗采用兩種方法制備ZnO薄膜，一種是直接氧化法，另一種是分步氧化法。直接氧化法是對制備好的蒸鍍上Zn的載玻片進行直接一次氧化（本實驗選擇400℃）60min。分步氧化法是首先在低溫區(qū)域（本實驗選擇250℃）氧化30min。之后，再在較高溫區(qū)域（本實驗選擇400℃）氧化30min。

2.2 制備裝置

熱蒸發(fā)技術(shù)制備ZnO薄膜采用的裝置主要有蒸發(fā)系統(tǒng)和氧化系統(tǒng)。其中真空蒸發(fā)沉積設(shè)備操作簡單，步驟少，而制備的ZnO薄膜可達到高質(zhì)量，又可準(zhǔn)確控制薄膜厚度，且快速，高效率，是當(dāng)前制備薄膜最常用的方法。氧化系統(tǒng)就是讓反應(yīng)室中含有氧氣。在反應(yīng)過程中，維持適當(dāng)溫度和氧氣的環(huán)境，從而讓使得材料能夠充分接觸到氧原子，在適當(dāng)?shù)臏囟认屡c材料發(fā)生反應(yīng)，將材料進行氧化。我們采用的氧化系統(tǒng)，型號為SK2-2-12的管式電阻爐。

3 不同ZnO薄膜制備方法特性分析

3.1 ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)比較

圖1為應(yīng)用不同的氧化方法，形成的ZnO薄膜XRD衍射譜對比圖。其中，圖中樣品A、B分別應(yīng)用直接氧化方法和分步氧化方法制備得到。

圖1 不同氧化方法下，ZnO薄膜的XRD衍射譜圖

從圖1中可以看出，在2θ=34.4°處樣品A和樣品B均有衍射峰的出現(xiàn)，且衍射峰非常明顯。對應(yīng)于纖鋅礦結(jié)構(gòu)(002)面的衍射峰，且該峰在XRD衍射圖譜中占有主導(dǎo)位置，可得知無論采用何種氧化方法，最終制備得出的晶體結(jié)構(gòu)都為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，且該晶體結(jié)構(gòu)具有沿(002)晶面擇優(yōu)生長特性。由此得出，分步氧化制備出ZnO薄膜的XRD衍射譜比直接氧化氧化制備出ZnO薄膜的XRD衍射譜強。另外，樣品A，B對應(yīng)的ZnO的（002）衍射峰的半高寬分別為A：0.56727；B：0.53953。通過以上數(shù)據(jù)可以明顯得出，在相同條件下，直接氧化法得到的樣品A半高寬比分步氧化法得到的樣品B半高寬大。分步氧化法制備的樣品B，有好的結(jié)晶質(zhì)量。

3.2 ZnO薄膜的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)比較

圖2 ZnO薄膜的光學(xué)透射譜

圖3 ZnO薄膜吸光譜

從圖2 ZnO薄膜的光學(xué)透射譜可以得出，在400nm到800nm波長范圍，采用分步氧化法和采用直接氧化法制備得到的ZnO薄膜，薄膜的平均透過率大于80%，這說明，在可見光區(qū)ZnO薄膜有良好的透光特性。在可見光范圍內(nèi)，樣品B的ZnO薄膜透光譜較平滑。由此可以得出，在相同的溫度下，應(yīng)用分步氧化法制備得到的薄膜透過率優(yōu)于應(yīng)用直接氧化法制備得到的薄膜透過率。

從圖3 ZnO薄膜吸光譜可以得出，在400℃下直接氧化法和分步氧化法沉積得到的ZnO薄膜吸收邊波長為365nm。當(dāng)波長小于380nm，吸收系數(shù)α很高。在400oC下，將本文通過直接氧化法與分步氧化法制備得到的ZnO薄膜吸收系數(shù)進行比較，直接氧化法得到的吸收系數(shù)大于分步氧化法。但是當(dāng)波長超過400nm后，吸收系數(shù)α變低。與透射光譜結(jié)合分析可以得出，薄膜的光學(xué)透射譜與吸光譜是相對應(yīng)的。

3.3 實驗結(jié)果及分析

由下表1可知樣品A、B的HALL測試結(jié)果：

表1 樣品的HALL測試結(jié)果

樣品A和樣品B，在400℃下，在遷移率、電阻率和載流子濃度等特性應(yīng)用分布氧化法制備得到的樣品明顯優(yōu)于應(yīng)用直接氧化法制備得到的樣品。這表明采用分步氧化的方法可以提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。

綜合前面XRD衍射譜，吸收光譜和透射譜的曲線，可以得出相同溫度和環(huán)境條件下，應(yīng)用分步氧化法制備得到的薄膜質(zhì)量明顯優(yōu)于直接氧化法制備得到的薄膜質(zhì)量。原因是，Zn在直接氧化的過程中蒸氣壓高，氧化后在薄膜表面沉積形成了ZnO小顆粒，使薄膜表面結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)構(gòu)變得疏松，大小不等，且未在不同位置均勻分布。因此直接氧化法制備得到的薄膜遷移率低，載流子復(fù)合中心較多，導(dǎo)電性很差。但是應(yīng)用分步氧化法制備得到的ZnO薄膜，在低溫環(huán)境形成薄層ZnO，從而避免制備產(chǎn)生的Zn蒸氣從薄膜中跑出，對高溫氧化過程的樣品表面進行保護，可獲得較高的遷移率。

4 結(jié)語

采用真空蒸發(fā)氧化方法制備的ZnO薄膜具有C軸取向高度一致的特點，且兩種制備方法的薄膜透射率均超過80%，薄膜具有好的光學(xué)質(zhì)量和晶體結(jié)構(gòu)。綜上所述，分步氧化方法制備的ZnO薄膜的質(zhì)量明顯優(yōu)于直接氧化方法制備的ZnO薄膜，可以用于工業(yè)推廣。

[1]王光偉，張建民，楊斐，等.ZnO薄膜的制備方法，性質(zhì)和應(yīng)用[D].天津工程師范大學(xué)電子工程系，天津，2008.