ZnO/AlN双层膜的制备与性能研究

论文摘要

ZnO薄膜是一种直接带隙宽禁带(3.37eV)半导体材料，具有高的激子束缚能(60meV)。它在光电、压电、气敏、压敏等方面性能优异，热稳定性高，目前已在气敏器件、表面声波器件和压敏器件等方面得到较为广泛的应用。目前，由于Si与ZnO的晶格常数及热膨胀系数的失配度均很大，难以实现高质量ZnO薄膜的外延生长，采用中间缓冲层是一种值得研究的工艺。本文第一章简要介绍了ZnO薄膜的晶体结构、性能以及常见的ZnO薄膜制备方法，概述了ZnO作为一种新型薄膜材料的应用前景。第二章较为系统地介绍了溅射机理以及磁控溅射镀膜和离子束溅射镀膜机理和工艺特点，薄膜的沉积过程。较为详细地介绍了制备AlN缓冲层和ZnO薄膜的实验过程，同时简要介绍了实验中用到的薄膜表征技术。第三章研究了射频磁控溅射制备AlN缓冲层的工艺，分析了工作气压、衬底、溅射时间、退火温度对缓冲层结构的影响，同时研究了不同工作气压下AlN缓冲层的AFM形貌。结果表明，0.2Pa下制备的AlN缓冲层适合于(002)择优取向生长的ZnO薄膜的制备。第四章采用射频磁控溅射制备了ZnO／AlN双层膜，研究了薄膜的结构、形貌及光电性能。结果表明，相比于相同工艺下制备的ZnO／Si薄膜，双层膜的生长取向依然是(002)，应力减小，结晶质量更好，晶粒平均尺寸增大、均方根粗糙度减小，电阻率变小。AlN缓冲层溅射时间为60min和90min时，ZnO层质量较优，60min时最好。室温荧光光谱显示，所有样品均有372nm附近的紫外本征峰、440nm和464nm附近的蓝光发射峰，未见绿光发射。AlN缓冲层溅射时间为60min和90min的ZnO／AlN／Si双层膜的本征峰与蓝光发射峰强度比较高，薄膜的结晶质量较好。第五章采用先离子束溅射Zn金属膜，后氧气氛退火(600℃)的二步法制备了ZnO／AlN双层膜，并研究了其结构和光电性能。结果表明，在相同工艺下制备的ZnO／Si薄膜呈多晶态，而双层膜为(002)择优取向生长。与单层膜相比，ZnO／AlN双层膜的电阻率更小。在室温荧光光谱中，离子束溅射制备的两种薄膜样品均出现了紫外本征峰和蓝光发射峰，但ZnO／Si薄膜中出现了主要来自于氧空位缺陷的绿光发射。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO薄膜的概述
• 1.2.1 ZnO薄膜的晶体结构
• 1.2.2 ZnO薄膜的特性与应用
• 1.2.2.1 ZnO薄膜的紫外受激发射
• 1.2.2.2 ZnO薄膜的光电特性
• 1.2.2.3 ZnO薄膜的p-n结特性
• 1.2.2.4 ZnO薄膜的气敏性质
• 1.2.2.5 ZnO薄膜的压敏性质
• 1.3 ZnO薄膜的制备方法
• 1.3.1 物理气相沉积（PVD）
• 1.3.1.1 真空蒸发（VE）
• 1.3.1.2 磁控溅射（MS）
• 1.3.1.3 离子束溅射沉积（IBD）
• 1.3.1.4 脉冲激光沉积（PLD）
• 1.3.2 化学气相沉积（CVD）
• 1.3.2.1 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）
• 1.3.2.2 金属有机物化学气相沉积（MOCVD）
• 1.3.2.3 溶胶—凝胶法（Sol-Gel）
• 1.4 本章小结
• 第二章 AlN缓冲层和ZnO薄膜的制备及测试方法
• 2.1 引言
• 2.2 薄膜的制备
• 2.2.1 溅射的基本原理
• 2.2.1.1 磁控溅射镀膜机理
• 2.2.1.2 离子束溅射镀膜机理
• 2.2.2 薄膜的沉积过程
• 2.2.3 衬底的清洗方法
• 2.2.4 AlN缓冲层和ZnO薄膜的制备
• 2.2.4.1 射频磁控溅射制备AlN缓冲层与ZnO薄膜的操作步骤
• 2.2.4.2 离子束溅射法制备ZnO薄膜的操作步骤
• 2.3 薄膜的测试
• 2.3.1 结构分析
• 2.3.2 薄膜表面形貌分析
• 2.3.3 薄膜电阻的测试
• 2.3.4 光学性能分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 AlN缓冲层的制备工艺与结构分析
• 3.1 引言
• 3.2 AlN缓冲层的制备
• 3.3 AlN缓冲层的结构
• 3.3.1 工作气压对玻璃衬底上AlN缓冲层结构的影响
• 3.3.2 不同衬底对AlN缓冲层结构的影响
• 3.3.3 溅射时间对AlN缓冲层结构的影响
• 3.3.4 退火对AlN缓冲层结构的影响
• 3.4 不同工作气压下AlN缓冲层的表面形貌
• 3.5 本章小结
• 第四章 RF磁控溅射制备ZnO/AlN双层膜的工艺与性能
• 4.1 引言
• 4.2 ZnO/AlN双层膜的RF磁控溅射制备工艺
• 4.3 RF磁控溅射制备ZnO/AlN双层膜的结构分析
• 4.3.1 ZnO/AlN双层膜和ZnO单层膜的结构对比
• 4.3.2 AlN缓冲层溅射时间对ZnO/AlN双层膜结构的影响
• 4.3.3 氩氧流量比对ZnO/AlN双层膜结构的影响
• 4.4 ZnO/AlN双层膜的形貌分析
• 4.4.1 ZnO/AlN双层膜的AFM形貌分析
• 4.4.2 ZnO/AlN双层膜的SEM形貌图
• 4.5 ZnO/AlN双层膜的光电性能
• 4.5.1 ZnO/AlN双层膜的电阻率
• 4.5.2 ZnO/AlN双层膜的荧光光谱
• 4.6 本章小结
• 第五章 IBD制备ZnO/AlN双层膜的工艺与性能
• 5.1 引言
• 5.2 ZnO/AlN双层膜的IBD制备工艺
• 5.3 IBD制备ZnO/AlN双层膜的结构分析
• 5.4 IBD制备ZnO/AlN双层膜的表面形貌
• 5.5 IBD制备ZnO/AlN双层膜的荧光光谱
• 5.6 IBD制备ZnO/AlN双层膜的电阻率
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文