Si基底取向对ZnO:Al薄膜结构和性能的影响研究

摘要

ZnO是一种具有纤锌矿晶体结构，激子束缚能高达60meVⅡ-Ⅵ族直接宽带隙（室温带隙宽3.37eV）的氧化物半导体材料。由于其优异的光学、电学及压电等性能，在透明导电薄膜、发光二极管、紫外光探测器、气敏传感器、表面声波等诸多领域有着广泛的应用，同时已在多种基底上成功制备了高质量的ZnO薄膜。
　　在各种常用ZnO薄膜生长的基底材料中，Si基底价格低廉，并具有良好的导电、导热性，可以实现ZnO器件与硅电路的混合集成等优势。然而，ZnO与Si基底之间存在较大的晶格错配，容易导致薄膜与基底界面处产生缺陷使薄膜性能变差。因为Si基底的取向对界面错配有关键影响，所以研究Si基底不同取向对ZnO薄膜结构和性能的影响尤为重要。虽然，前人对不同取向的Si基底对ZnO薄膜的影响也做了一些研究，但这些研究中对Si基底不同取向对ZnO薄膜形貌和电学性能的影响缺乏深入研究和解释。
　　为解决这些问题，本文研究了Si基底不同取向对ZnO薄膜结构和电学性能的影响。首先，利用射频磁控溅射方法在Si(111)上制备了Al掺杂ZnO(AZO)薄膜，探索了基底温度、溅射功率和工作气压对薄膜的影响。并在此基础上确定最佳工艺参数，制备出性能优异的AZO薄膜。其次，研究了Si基底不同取向对AZO薄膜结构和电学性能的影响。采用射频磁控溅射方法在(100)、(110)和(111)Si基底上制备AZO薄膜。研究发现，对于不同取向Si基底，薄膜具有高度c轴择优取向，并且都是柱晶形貌。在(100)、(110)和(111)Si基底上AZO薄膜的晶粒尺寸依次增大，因此晶界分布密度依次减小，导致薄膜电阻率降低。最后，利用O点阵模型计算AZO/Si界面错配，从界面错配方面研究(100)、(110)和(111)Si对薄膜的形貌和性能的影响。通过分析AZO/Si界面错配发现AZO与(100)、(110)和(111)Si界面位错密度分别为0.717nm-1、0.588nm-1和1.637nm-1，并且在(100)和(110)Si基底上出现混合二次位错。综合这些结果可得(100)、(110)和(111)Si与AZO界面的晶格错配依次减小，较小的错配度导致较大的晶粒尺寸和较低的晶界分布密度，从而使薄膜电阻率下降。AZO薄膜晶粒尺寸与界面错配度的对应关系说明界面错配度是影响晶粒尺寸的关键因素。