退火温度对磁控溅射氧化锌薄膜的影响及其物性研究

摘要

氧化锌是直接带隙半导体材料，具有六方纤锌矿结构，禁带较宽，激子束缚能很高，具有耐高温、化学稳定性高等特点。制备的氧化锌薄膜具有良好光电、压电等特性，同时原料来源广泛、价格较低，正是因为这些优点使其成为近些年来半导体材料研究的重点。在太阳能电池、透明电极、LED显示器等领域内被普遍使用，未来应用前景十分光明。目前，氧化锌薄膜相关制备方法分为化学和物理两个大类，主要包括溶液-凝胶法、气相沉积法、分子束外延法、脉冲激光沉淀、磁控溅射等。本文使用多靶位共溅射新型射频磁控溅射系统，在单晶Si衬底上制备氧化锌薄膜并进行退火处理，研究不同退火温度对氧化锌薄膜的形貌、结晶、光致发光等物性的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴利用射频磁控溅射沉积氧化锌薄膜，选择(111)单晶硅(Si)作为衬底，生长室的背底真空为5×10-5Pa，溅射压强为2Pa，衬底温度为300℃，氩气和氧气流量分别为20sccm和10sccm，溅射功率为75W，靶基距为~80mm，生长时间为60分钟。然后在空气气氛下进行退火处理，在大气压强下恒温退火120分钟，改变退火温度分别为300℃、400℃、500℃、600℃和700℃。⑵使用原子力显微镜表征了氧化锌薄膜的表面形貌，从原子力显微镜对样品形貌的表征分析可知，在退火温度500℃时氧化锌薄膜最光滑，晶粒均匀致密，表面粗糙度较小。使用X射线衍射表征分析氧化锌薄膜的结晶性质，通过对比分析可知，随着退火温度的升高，氧化锌（002）衍射峰向高角度方向移动，半高宽也逐渐减小。500℃和700℃退火处理后氧化锌薄膜具有更好的晶体性质。还测试了氧化锌薄膜的光致发光光谱，从光谱中可以看到，退火处理后400 nm附近的发光子峰消失，紫外发射强度变化不大，可见区的黄绿光发射受到了明显抑制。氧化锌薄膜的紫外-可见发光比在经600℃退火处理后达到最大。⑶在空气中500℃退火处理后，氧化锌薄膜具有更好的表面形貌和较好的结晶及发光性质。本论文的研究工作为后续氧化锌薄膜及其合金材料生长和光发射器件制备奠定了前期工作基础，同时也可以为其他氧化物薄膜热处理的研究提供借鉴作用。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 氧化锌材料简介

1.1.1 氧化锌的晶格结构

1.1.2 氧化锌的光学性质

1.1.3 氧化锌的电学性质

1.1.4 氧化锌的其他物理性质

1.1.5 氧化锌材料研究的发展

1.2 氧化锌薄膜的优点和应用

1.2.1 氧化锌薄膜的优点

1.2.2 氧化锌薄膜的应用

1.3 本论文的主要工作

第二章 氧化锌薄膜制备技术

2.1 氧化锌薄膜的其他常用制备技术

2.1.1 分子束外延（MBE）

2.1.2 金属有机化学气相沉积（MOCVD）

2.1.3 脉冲激光沉积（PLD）

2.1.4 溶胶-凝胶（Sol-Gel）

2.2 磁控溅射法简介

2.2.1 磁控溅射的基本原理

2.2.2 磁控溅射的特点

第三章 退火温度对氧化锌薄膜物性的影响

3.1 磁控溅射制备氧化锌薄膜

3.1.1 射频磁控溅射系统及管式实验炉设备

3.1.2 射频磁控溅射系统和管式实验炉的操作流程及注意事项

3.1.3 氧化锌薄膜样品的制备

3.2 退火温度对氧化锌薄膜物性影响的研究

3.2.1 不同退火温度对氧化锌薄膜表面形貌的影响

3.2.2 不同退火温度对氧化锌薄膜晶体结构的影响

3.2.3 不同退火温度氧化锌薄膜的光致发光光谱

3.3小结

第四章 结 论

致谢

参考文献

研究生期间参加科研情况