磁控溅射制备ZnO及其掺Al薄膜与MSM紫外光电探测器的研制

论文摘要

随着紫外探测技术越来越广泛地被应用于众多领域,大大推动了宽禁带半导体的发展。ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体材料,在光电器件领域有着光明的应用前景,近年来已成为国际上半导体光电材料的研究热点。目前,高质量的ZnO薄膜一般是利用MOCVD或MBE在蓝宝石衬底上制备。生产成本高,限制了ZnO材料的潜在应用。而磁控溅射技术是一种简便应用广泛且技术成熟的薄膜制备技术,生产成本低廉,与集成电路平面工艺兼容性好,通过调节磁控溅射的工艺参数制备出高质量的ZnO薄膜是很有意义的工作。同时ZnO具有良好的抗高能射线辐射能力,相比其它宽禁带半导体在制作紫外探测器方面具有独特的优势。本论文主要工作是研究如何利用简便的射频磁控溅射技术在SiO2/Si和石英玻璃衬底上制备高质量的ZnO及其掺Al（AZO）薄膜。在薄膜制备的研究基础上,在以SiO2/Si为衬底的ZnO薄膜上研制MSM结构的紫外光电探测器,研究了器件的制作工艺和性能。所开展的研究工作对ZnO薄膜在光电领域的器件应用开发具有重要的意义,主要工作内容如下:利用JC500-3/D磁控溅射镀膜机在SiO2/Si和石英玻璃衬底上制备具有C轴择优取向的ZnO和AZO晶柱薄膜。结合XRD、AFM、SEM、霍耳效应测量和透射谱的测量,研究了溅射气体氩氧比、溅射气压、溅射功率和衬底温度对薄膜结构、形貌、光电特性的影响,为制作性能良好的紫外探测器探索较佳的工艺参数。对在较佳溅射工艺参数下在SiO2/Si衬底上制备的ZnO和AZO薄膜样品进行退火处理。随着退火温度的升高,ZnO和AZO薄膜的结晶性能得到改善。在以SiO2/Si为衬底900℃下退火的ZnO薄膜样品上制作了Ag-ZnO-Al和Au-ZnO-Al方框结构,研究金属Ag、Au与ZnO的接触特性。结果表明,Ag与ZnO薄膜形成了良好的肖特基接触,Au与ZnO薄膜形成了欧姆接触。采用单步反剥离技术制备金属电极,在以SiO2/Si为衬底退火后的ZnO薄膜上制作了Ag-ZnO-Ag MSM结构肖特基型和Au-ZnO-Au MSM结构光电导型的紫外光电探测器,并对所制备的探测器进行I-V、C-V及光谱响应的测试分析。结果表明所制备的器件在紫外波段有较高的响应度,光谱响应峰在370nm附近。本论文从材料制备、器件设计流片到测试分析,做了大量的实验探索与理论研究工作,创新性地解决了一些科学与技术上的难题:利用简便的射频磁控溅射技术在SiO2/Si和石英玻璃衬底上制备出C轴择优取向、颗粒均匀、致密的ZnO和AZO晶柱薄膜;结合Kajikawa提出的ZnO薄膜生长模型和所制备样品的SEM截面图讨论了我们利用磁控溅射制备的多晶ZnO薄膜的生长过程;根据我们采用的JC500-3/D磁控溅射镀膜机的参数调节范围,研究了溅射工艺参数和退火对薄膜特性的影响;结合Burstein-Moss效应分析了AZO薄膜的光学带隙变化;设计了Ag-ZnO-Ag MSM结构肖特基型和Au-ZnO-Au MSM结构光电导型的紫外光电探测器,开发了完整可行的制备工艺流程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 ZnO研究背景
• 1.1.2 ZnO基紫外探测器的研究现状
• 1.2 ZnO的结构与性质
• 1.2.1 ZnO的晶体结构
• 1.2.2 ZnO的能带结构
• 1.2.3 ZnO的发光特性
• 1.3 ZnO的本征缺陷与掺杂
• 1.3.1 ZnO的本征缺陷
• 1.3.2 ZnO的n型掺杂
• 1.3.3 ZnO的p型掺杂
• 1.4 ZnO的应用
• 1.4.1 ZnO在声表面波器件方面的应用
• 1.4.2 ZnO在透明电极方面的应用
• 1.4.3 ZnO在气敏传感器方面的应用
• 1.4.4 ZnO在光电器件方面的应用
• 1.4.5 ZnO在其它方面的应用
• 1.5 ZnO薄膜的制备方法
• 1.5.1 磁控溅射
• 1.5.2 脉冲激光沉积
• 1.5.3 金属有机物化学气相沉积
• 1.5.4 分子束外延
• 1.5.5 喷雾热分解
• 1.5.6 溶胶-凝胶
• 1.6 论文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 ZnO薄膜的磁控溅射制备和测试分析方法
• 2.1 磁控溅射原理
• 2.2 磁控溅射制备ZnO薄膜的生长模式
• 2.2.1 薄膜生长的基本过程
• 2.2.2 磁控溅射制备ZnO薄膜的生长模型
• 2.3 ZnO薄膜样品的制备
• 2.3.1 衬底的清洗
• 2.3.2 衬底的制备
• 2.3.3 薄膜样品的制备
• 2.4 ZnO薄膜的测试分析方法
• 2.4.1 X射线衍射技术
• 2.4.2 原子力显微镜测试
• 2.4.3 扫描电子显微镜测试
• 2.4.4 透射谱的测量
• 2.4.5 电学特性的测量
• 2.4.6 光致发光谱的测量
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 ZnO及其掺Al薄膜的制备和特性分析
• 3.1 氩氧比对ZnO薄膜特性的影响
• 3.1.1 XRD分析
• 3.1.2 SEM与AFM分析
• 3.1.3 电学特性分析
• 3.1.4 光学特性分析
• 3.2 溅射气压对ZnO薄膜特性的影响
• 3.2.1 XRD分析
• 3.2.2 SEM与AFM分析
• 3.2.3 光学特性分析
• 3.3 ZnO掺Al薄膜的研究现状与光电特性
• 3.4 溅射功率对AZO薄膜特性的影响
• 3.4.1 XRD分析
• 3.4.2 SEM分析
• 3.4.3 电学特性分析
• 3.4.4 光学特性分析
• 3.5 衬底温度对AZO薄膜特性的影响
• 3.5.1 XRD分析
• 3.5.2 AFM分析
• 3.5.3 电学特性分析
• 3.5.4 光学特性分析
• 3.6 退火对ZnO薄膜特性的影响
• 3.6.1 XRD分析
• 3.6.2 SEM分析
• 3.6.3 发光特性分析
• 3.7 退火对AZO薄膜特性的影响
• 3.7.1 XRD分析
• 3.7.2 SEM分析
• 3.7.3 电学特性分析
• 3.8 本章小结
• 参考文献
• 第四章 MSM紫外光电探测器的研制
• 4.1 MSM光电探测器的工作原理
• 4.2 金属-半导体接触
• 4.2.1 欧姆接触
• 4.2.2 肖特基接触
• 4.2.3 Ag-ZnO-Al和Au-ZnO-Al结构的制作
• 4.2.4 Ag-ZnO-Al和Au-ZnO-Al结构的I-V特性
• 4.3 MSM光电探测器的制作与特性分析
• 4.3.1 制作流程与光刻工艺
• 4.3.2 MSM光电探测器的I-V、C-V特性
• 4.3.3 MSM光电探测器的光谱响应特性
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 附录A 博士期间发表的论文
• 致谢