射频磁控溅射ZnO薄膜的结构和光学特性

第24卷第1期发光学报

Vol.24No.1

2003年2月CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCE2003Feb.，

文章编号：（1000-70322003）01-0073-03

射频磁控溅射!"#薄膜的结构和光学特性

张源涛，李万程，王金忠，杨晓天，马

艳，殷宗友，杜国同

（吉林大学电子科学与工程学院，集成光电子国家重点实验室，吉林长春130023）

摘要：采用射频（RF）反应磁控溅射法在n-S衬底上外延生长ZnO薄膜。XRD谱测量显示出较强的（i（001）002）

衍射峰，表明ZnO薄膜为!轴择优取向生长的。室温PL谱测量观察到了较强的紫外光发射和深能级发射。关键词：ZnO薄膜；RF磁控溅射；光荧光谱

中图分类号：文献标识码：O482.31A

1

引言

2

实验

近年来短波长发光管和激光器一直是半导体光电器件研究的热点。ZnO作为一种直接带隙的宽禁带材料，是继GaN之后光电研究领域又一热门研究课题。与GaN相比，ZnO和GaN的能带间隙和晶格常数非常接近，可互为缓冲层，有相近的光电特性。但ZnO还有某些特性比GaN更优越，如具有更高的激子束缚能（、外延生60meV）长温度低、成本低等，在某些应用领域显示出比特别是ZnO紫外光电器件GaN更大的发展潜力，更为人们所重视。

生长ZnO薄膜所用的衬底一般为蓝宝［1，2］石，但是用蓝宝石作衬底有价格较贵、不易解理以及难以与其他光电器件集成等缺点。Si是半导体材料生长的常用衬底，Si不但容易解理、价格便宜，而且目前的主要光电集成器件都是集所以在S成在Si衬底上，i衬底上生长ZnO薄膜具有重要的意义。

［3］制备ZnO薄膜有多种方法，如热解喷涂、［，］［，］［10，11］溅射等。其中溅射MOCVD45、MBE67、

法沉积的薄膜质量虽然不及MOCVD法和MBE法，但它具有成膜均匀、致密，且制备工艺简单、成

ZnO薄膜是采用RF反应磁控溅射法制备

作衬底，制备前用甲苯、丙酮、酒的。用n-Si（001）

精、去离子水对衬底进行超声清洗。用比例为（H2SO4）（H3PO4）!1!=311的混合溶液加热到

然后用去离子水冲洗并用高纯160C刻蚀10min，靶直径氮气吹干。金属锌靶的纯度为99.999%，为100mm。氧气、氩气分别作为反应沉积过程的反应气体和溅射气体，氧氩比为311，溅射功率为沉积温度为200C，在沉积过程中衬底基600W，

座保持旋转。

采用西门子D8DISCOVERX射线衍射仪对样品进行XRD谱分析。对样品的室温PL谱进行了测量，激发源为波长为325nm的He-Cd激光

然后用器。样品的PL信号通过单色仪分光，CCD探测器接收。

3

结果分析和讨论

图1为氧氩比为311，溅射功率为600W，沉

积温度为200C时样品的XRD谱，在图中2!=（峰，半高宽（FWHM）为34.78 处为ZnO的002）

图中没有观察到其他的峰，表明ZnO薄膜0.30 ，

为!轴择优取向生长的。利用众所周知的Scherrer公式"=

"是晶粒尺寸，"

#cos!

是X射线波长，#是衍射峰半高宽，!是衍射峰峰位）来计算晶粒尺寸，得到"=48nm。实验中

本低等优点。

我们采用RF磁控溅射法在n-S衬底i（001）

上制备了ZnO薄膜，用XRD谱分析了薄膜结构，通过PL谱分析薄膜的光学特性。

收稿日期：2002-07-03；修订日期：2002-10-04

基金项目：国家863计划资助项目（2001AA311130）作者简介：张源涛（，男，吉林人，目前在吉林大学电子科学与工程学院微电子学与固体电子学专业攻读博士学位，主要从1976-）

事ZnO薄膜材料的生长及其器件的研制工作。

（E-mail：xgWang!http://www.77cn.com.cn，Tel：0431）8499063

74

发光学报

第24卷

［10，11］错位Zn或错位O所导致的深能级。紫外

发光与深能级复合发光的强度比为7 1，这个比

值优于以前报道的利用溅射法生长ZnO膜的同

［12］类比值。

图1Fig.1

ZnO薄膜的X射线衍射图

X-raydiffractionpatternofZnOfilms.

发现当射频功率在300!600W之间和氧氩比值

在1!3之间变化时，样品均有较好的结晶性，（峰的半高宽逐渐减少，且（峰的峰位逐002）002）渐向大角度方向移动，根据Scherrer公式可知，样品的这种变化意味着c轴择优取向性越好，晶粒尺寸越大，薄膜结构性能越好。

作为一种宽带半导体，PL谱是ZnO的重要特性。图2为样品的室温PL谱，从图中能观察到样品有两个紫外发射峰，峰位分别位于3.30eV和3.23eV。我们认为3.30eV的发射峰来自于自由激子发射，而位于3.23eV的发射峰来自于施主在-受主对跃迁发光。除了紫外发射峰以外，

该峰来2.5eV处还出现对应绿光波段的荧光峰，自于深能级复合发光，主要是由Zn空位、O空位、

Fig.2

图2

ZnO薄膜的室温PL谱

PLspectraofZnOfilmatroomtemperature.

4

结论

采用RF反应溅射法在n-S衬底了制i（001）

备了c轴高度择优取向的ZnO薄膜。通过XRD谱对薄膜分析，（002）衍射峰半高宽仅为ZnO的

观察到0.30 。在ZnO薄膜的室温光荧光谱中，两个较强紫外发射峰（峰位分别在3.30eV和，分别来自于自由激子发射和施主3.23eV）-受主

对跃迁。

参考文献：

［1］TangZK，WongGKL，YuP.Room-temperatureultravioletlaseremissionfromself-assembledZnOmicrocrystallite

：thinfilms［J］.A11l.phy.lett.，1998，723270-3272.

［2］etal.effectsofnativedefectsonopticalandelectricalpropertiesofZnOpreparedbypulsedJi …… 此处隐藏：7465字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……