SR-MOCVD方法沉积ZnO薄膜及其性能研究

摘要

氧化锌(ZnO)是一种重要的化合物半导体光电材料，它具有良好的物理特性：直接带隙能带结构、室温禁带宽度3.37eV、激子束缚能60meV，是制备紫外发光二极管、特别是制备室温紫外半导体激光器的优选材料。本文利用同步辐射辅助的MOCVD(SR-MOCVD)方法沉积了ZnO薄膜并对ZnO薄膜的特性及生长机理进行了研究。 1.设计组建了SR-MOCVD系统；利用DEZn和O2为反应源对此SR-MOCVD设备进行了调试，使得ZnO薄膜能够均匀沉积。 2.为了研究SR-MOCVD方法沉积ZnO薄膜的机理，首次利用同步辐射真空紫外光、超声分子束装置和反射式飞行时间质谱仪，研究了金属有机生长源DEZn的光电离解离质谱和产物离子从8～22eV范围内的光电离效率谱。从质谱中得到了DEZn光电离产生的碎片离子的种类，主要有ZnC2H5+、C2H5+、Zn+等；从光电离效率谱中获得了ZnC4H10的电离势(8.20±0.05 eV)和相应碎片离子的出现势。依据文献中提供的热力学数据，估算出主要碎片离子的生成焓，并对它们的解离通道和分支比进行了分析。结果表明，其主要解离通道是母体离子发生Zn-C键的断裂而直接解离形成ZnC2H5+和C2H5+离子，ZnC2H5+离子再进一步解离形成Zn+离子，并且含锌碎片离子的丰度占据75％以上。 3.以二乙基锌(DEZn)和二氧化碳为生长源，分别利用SR-MOCVD和MOCVD两种方法以Si(001)为衬底变换温度生长了ZnO薄膜。采用X射线衍射(XRD)，扫描电镜(SEM)，X射线光电子能谱(XPS)和同步辐射光谱技术(PL、PLE)对ZnO系列样品的结晶质量、表面形貌和光学性质等进行了研究，并讨论了ZnO薄膜的结构和光学性质对衬底温度的依赖性。同时，比较了两种生长方法沉积的ZnO在结构和性质上的差异。结果表明，在同步辐射(SR)的辅助下利用DEZn和CO2在室温下就可以沉积没有C元素的污染的ZnO薄膜，并且相同的生长温度下SR辅助生长的ZnO薄膜具有较高的结晶质量。SR辅助生长的ZnO薄膜的绿色发光峰较MOCVD ZnO更小，表明SR辅助有助于减少ZnO薄膜中的各种缺陷。 4.为了解释SR在利用MOCVD沉积ZnO薄膜过程中起到的作用，我们初步探讨了其沉积机制。MOCVD方法是吸附在沉积表面的DEZn和CO2发生热力学反应，其反应产物热裂解后生成ZnO薄膜，因此该方法具有更强的温度依赖性。而在SR辅助下，DEZn和CO2先经过同步辐射光的光电离光解离，产生的Zn原子、离子和含Zn的离子与O原子、离子在衬底表面发生反应生成ZnO沉积在衬底薄膜表面：而解离产生的大部分含C有机离子产物被排出反应室。因此，在同步辐射的辅助下室温即可生长ZnO薄膜，并且薄膜中C污染较少。在薄膜的沉积过程中可以通过同步辐射光电离光解离反应源而使得ZnO在低温下就可沉积，同时减少了薄膜中的C含量进而起到提高薄膜的结晶质量的作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述部分

1.1引言

1.1.1 ZnO薄膜的晶体结构

1.1.2 ZnO薄膜的能带结构

1.1.3 ZnO薄膜的光学性能

1.1.4 ZnO薄膜的电学性能

1.1.5 ZnO薄膜的其他性能

1.2 ZnO薄膜制备技术简介

1.2.1磁控溅射工艺(Magnetron Sputtering)

1.2.2脉冲激光沉积工艺(PLD)

1.2.3分子束外延工艺(MBE)

1.2.4金属有机化学气相沉积(MOCVD)

1.3本文的选题依据及主要内容

参考文献

第二章SR-MOCVD系统的搭建与调试

2.1 SR-MOCVD系统的介绍

2.1.1典型photo-CVD系统介绍

2.1.2 SR-MOCVD系统介绍

2.2 SR-MOCVD系统的制备

2.2.1 ZnO生长用MOCVD生长室的研制

2.2.2 SR-MOCVD生长室接入到储存环

2.3 SR-MOCVD系统的调试

2.4小结

参考文献

第三章源材料表征及生长工艺

3.1实验源材料

3.1.1金属有机源及载气

3.1.2氧源和氮源

3.1.3衬底及其处理

3.2前驱体(DEZn)的表征及分析

3.2.1二乙基锌的光电离解离实验

3.2.2二乙基锌的光电离质谱

3.2.3二乙基锌同步辐射光电离效率曲线

3.2.4主要产物离子的解离通道及其离子生成焓

3.2.5主要产物离子的分支比

3.3工艺过程

3.3.1 MOCVD方法制备ZnO薄膜

3.3.2 SR-MOCVD方法制备ZnO薄膜

3.3.3薄膜制备中的常见问题及处理

3.4性能表征

3.5小结

参考文献

第四章ZnO薄膜的表征结果

4.1 ZnO薄膜的形貌

4.1.1 SR-MOCVD方法生长的ZnO薄膜

4.1.2 SR对于ZnO薄膜形貌的影响

4.2 ZnO薄膜的结晶质量

4.3 ZnO薄膜的XPS谱

4.4 ZnO薄膜的光致发光性能

4.4.1实验中出现的ZnO薄膜的特殊光谱性质

4.4.2氧源对ZnO薄膜发光特性的影响

4.5小结

参考文献

第五章ZnO薄膜的生长机理

5.1沉积原理简介

5.2 MOCVD系统ZnO薄膜的生长机理

5.3 SR-MOCVD系统中ZnO薄膜生长机理的讨论

5.4小结

参考文献

第六章总结

硕士期间发表的文章

致谢