非平衡闭合磁控溅射制备ZnO薄膜及Al、N掺杂对其光学性能影响的研究

摘要

作为宽带隙半导体的氧化锌，禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，激子增益也可达到300cm-1，是一种理想的短波长发光器件材料，在LEDs、LDs等领域有巨大的应用潜力。要实现ZnO在光电领域的广泛应用，首先必须获得性能良好的n型和p型ZnO材料。但是未掺杂ZnO薄膜由于其本征缺陷使其成为天然的n型半导体，而理论计算预言氮元素可以在ZnO薄膜中形成浅的受主能级，Yamamoto通过理论计算指出，施主和受主元素共掺可以大幅促进受主元素在ZnO中的掺杂量。因此，本课题采用闭合场非平衡磁控溅射技术在高纯石英衬底上制备了N及Al-N共掺ZnO薄膜，对共掺与非共掺样品的光学性能进行了对比分析，并分析了不同退火条件对ZnO薄膜结构和光学性能的影响，获得以下结论:
　　XRD显示退火后ZnO薄膜具有明显的c轴择优取向，晶体质量大为提高;在原子力显微镜下观察到薄膜晶粒垂直于衬底生长，且随氧氩比由1∶1增大到3∶2，晶粒尺寸变大，晶粒排列更加均匀、致密、连续，表面粗糙度降低;对ZnO薄膜厚度的计算结果显示，当靶电流1.0A、沉积时间3小时，氮氧比3∶2时的膜厚大约为607nm。
　　对ZnO∶N和ZnO∶(Al，N)薄膜的光学性能对比分析得出，Al的掺入会促进更多的N的掺入，而导致薄膜严重的品格畸变，同时透射谱吸收边发生红移，禁带变窄，并且ZnO∶(Al，N)薄膜出现了紫外发光峰。
　　退火对ZnO∶(Al，N)薄膜的影响:退火提供的能量使N2有效地分解成N原子成为代替O原子的受主能级掺入到薄膜中，退火后样品的吸收边红移，428nm处的紫光发光更强。退火气氛对ZnO薄膜晶体质量的影响甚小，氮气退火可以保证更多的N掺入到ZnO薄膜中，但同时产生更多的缺陷，真空退火吸收边蓝移，空气和氧气退火吸收边红移。ZnO∶N薄膜在600℃退火时掺入N的量最多，而ZnO∶(Al，N)薄膜800℃退火时掺入N的量最多。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 ZnO的性质

1．1．1 ZnO的基本性质

1．1．2 ZnO的电光性能

1．2 ZnO薄膜的发光机制

1．2．1 蓝光的发光机理

1．2．2 绿光的发光机制

1．3 ZnO中的缺陷与掺杂

1．3．1 氧化锌中的缺陷

1．3．2 ZnO的n型掺杂

1．3．3 ZnO的p型掺杂

1．4 ZnO薄膜的制备技术

1．4．1 磁控溅射法

1．4．2 溶胶-凝胶法

1．4．3 分子束外延(MBE)

1．4．4 激光脉冲沉积(PLD)

1．5 ZnO薄膜的应用

1．6 本课题的主要内容

2 ZnO及掺杂ZnO薄膜的制备与检测技术

2．1 制备ZnO薄膜的材料与实验装置

2．1．1 制备ZnO薄膜的材料

2．1．2 制备ZnO薄膜的实验装置

2．2 样品的制备与测试

2．3 样品的后续热处理

2．4 薄膜的检测技术

2．4．1 X射线衍射(XRD)技术

2．4．2 原子力显微镜(AFM)

2．4．3 Raman(拉曼)光谱

2．4．4 薄膜的透射性能测试

2．4．5 薄膜的光致发光测试

3 ZnO及掺杂ZnO薄膜的实验结果与分析

3．1 ZnO薄膜的结构特征

3．1．1 退火前后ZnO：(Al，N)薄膜的XRD曲谱分析

3．1．2 ZnO薄膜的AFM扫描结果分析

3．1．3 ZnO薄膜膜厚的计算

3．2 N掺杂与Al-N共掺对ZnO薄膜光学性能的影响

3．2．1 N掺杂与Al-N共掺对ZnO薄膜Raman性能的影响

3．2．2 N掺杂与Al-N共掺对ZnO薄膜UV-Vis透过光谱的影响

3．2．3 N掺杂与Al-N共掺对ZnO薄膜光致发光性能的影响

3．3 退火对ZnO薄膜光学性能的影响

3．3．1 退火前后ZnO薄膜的光学性能表征

3．3．2 退火气氛对ZnO薄膜性能的影响

3．3．3 退火温度对ZnO薄膜光学性能的影响

3．4 本章小结

4 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间期间发表的论文