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Ti缓冲层对ZnO薄膜应力和光学性能的影响

作　者: 魏玮
导　师: 张庆瑜
学　校: 大连理工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: ZnO薄膜 缓冲层 退火处理 应力分析 光致发光
分类号: O484
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


ZnO具有纤锌矿晶体结构,是一种新型的直接带隙宽禁带半导体,其禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能为60 meV,可以实现室温下的激子发射。ZnO薄膜可在低于600℃的温度下获得,较GaN、SiC和其它Ⅱ-Ⅵ族半导体宽禁带材料的制备温度低很多,这些特点使ZnO具备了作为室温短波长光电子材料的必备特征。因此,研究ZnO薄膜的发光特性具有十分重要的意义。ZnO作为新一代的宽禁带半导体材料,具有广泛的应用,如:ZnO薄膜可以制成表面声波谐振器、压电器件、GaN蓝光薄膜的过渡层以及透明导电膜等。自从1997年Tang等报导了ZnO薄膜的近紫外受激发射现象以后,ZnO再次成为当今半导体材料研究领域的热点。本文采用RF反应磁控溅射方法制备了ZnO薄膜,并且研究了缓冲层厚度、退火处理、N掺杂对于ZnO薄膜结构和光学性能的影响,主要研究内容与结果如下:（1）采用反应磁控溅射法在Si（111）基片上分别制备了带有Ti缓冲层和带有MgO缓冲层的高c轴取向ZnO薄膜。通过X射线衍射分析和光致荧光光谱测量,研究了缓冲层厚度对ZnO薄膜结晶质量和光致荧光特性的影响。研究结果表明,缓冲层的引入可以有效改善Si基片上ZnO薄膜的发光性能,但缓冲层存在一个最佳的厚度。（2）退火处理可以进一步改善薄膜的紫外荧光发光性能,薄膜应力是影响ZnO薄膜紫外荧光发光性能的重要因素,较小的残余应力对ZnO薄膜的紫外荧光发射是有利的;残余应力的存在可以改变ZnO薄膜紫外荧光发射能量。随着退火温度的增加,薄膜中的张应力增大,导致带隙宽度减小以及激子复合跃迁峰逐渐向低能方向移动。（3）掺N薄膜具有良好的透过率,达到90%以上,随着N2O分压的增加,薄膜的厚度明显下降,厚度的减小可能是由于O含量较小影响了薄膜的沉积速度。随着N2O分压的增加,光学带隙宽度增大,当N2O分压为0.4Pa时,光学带隙宽度最大,达到3.24eV;ZnO薄膜的紫外发光质量随N2O分压的增加而改善,但是存在一个最佳值。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 ZnO综述  9-14
  1.1 ZnO的基本性质  9-12
    1.1.1 ZnO的结构性质  9-11
    1.1.2 ZnO的光电性质  11-12
    1.1.3 ZnO的其他性质  12
  1.2 ZnO的应用  12-14
    1.2.1 声表面波器件  12-13
    1.2.2 GaN的缓冲层  13
    1.2.3 太阳能电池  13
    1.2.4 ZnO发光二极管  13
    1.2.5 紫外探测器  13-14
2 ZnO薄膜的制备和表征方法  14-28
  2.1 ZnO薄膜的制备方法  14-21
    2.1.1 磁控溅射法(Sputtering)  14
    2.1.2 激光脉冲沉积法(PLD)  14-15
    2.1.3 分子束外延生长法(MBE)  15-16
    2.1.4 溶胶-凝胶法(Sol-Gel)  16-17
    2.1.5 金属有机物化学气相沉积(MOCVD)  17-18
    2.1.6 喷雾热分解法(SprayPyrolysis)  18-19
    2.1.7 电化学沉积(ED)  19-20
    2.1.8 电子束反应蒸镀法(Reactive Electron Beam Evaporation)  20-21
  2.2 ZnO薄膜的表征方法  21-28
    2.2.1 X射线衍射分析法(XRD)  21-23
    2.2.2 光致荧光光谱  23-25
    2.2.3 透射光谱测量  25-27
    2.2.4 电子探针显微分析  27-28
3 反应磁控溅射法制备ZnO薄膜  28-33
  3.1 射频磁控溅射的基本原理  28-29
  3.2 实验设备简介  29-31
  3.3 靶材选择与基片处理  31
  3.4 ZnO薄膜的制备工艺  31
  3.5 影响薄膜制备的因素  31-33
4 缓冲层厚度对于ZnO薄膜结构和光学性能的影响  33-40
  4.1 Ti缓冲层厚度对于ZnO薄膜结构和光学性能的影响  33-36
    4.1.1 带有Ti缓冲层的ZnO薄膜的制备  33-34
    4.1.2 结果与分析  34-36
  4.2 MgO缓冲层对于ZnO薄膜结构和光学性能的影响  36-39
    4.2.1 带有MgO缓冲层的ZnO薄膜的制备  36
    4.2.2 结果与分析  36-39
  4.3 本章小结  39-40
5 退火温度对ZnO薄膜质量的影响  40-53
  5.1 退火温度对ZnO薄膜结构和发光特性的影响  40-43
    5.1.1 ZnO薄膜的制备  40
    5.1.2 结果与分析  40-43
  5.2 退火温度对于ZnO/Ti薄膜结构和光学性能的影响  43-51
    5.2.1 ZnO/Ti薄膜的制备及分析方法  43-44
    5.2.2 结果与分析  44-51
  5.3 本章小结  51-53
6 N掺杂含量对于ZnO薄膜结构和发光性能的影响  53-58
  6.1 N掺杂ZnO薄膜的制备  53
  6.2 结果与分析  53-57
    6.2.1 N掺杂含量对于ZnO薄膜结构的影响  53-55
    6.2.2 N掺杂含量对于ZnO薄膜透射光谱的影响  55-56
    6.2.3 N掺杂含量对于ZnO薄膜室温光致发光光谱的影响  56-57
  6.3 本章小结  57-58
结论  58-59
参考文献  59-63
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  63-64
致谢  64-65

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学
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