（光学专业论文）zno薄膜及其掺杂的物理性质研究.pdf

济南大举硕上学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! s l ! ! ! ! ! ! ! 暑i 一一i i i i i i i , l i e , , , = = _ 一 i i i i i ii i i i i i i i i i i ii i ! 篡 摘要 氧化锌( z n o ) 是一种宽带隙( 室溢下3 3 7 e v ) i i v i 族化合物半导体，具有优异的光 学和电学特性，在透明导电薄膜、表面声波器件、气体传感器和光电器件等方面有着 广泛的应用。尤其是高质量z n o 薄膜的室温紫外受激发射的实现，使其成为当前的 研究热点。和目前最成功的宽禁带半导体材料g a n 相比，z n o 具有很多优点。z n o 薄膜的生长温度一般低于7 0 0 4 c ，比g a n ( 生长温度1 0 5 0 c ) 要低得多；z n o 薄膜在室 温下光致发光和受激辐射有较低的阙值功率和很高的能量转换效率；z n o 有较高的激 子复合能( 6 0 m e v ) ，理论上有可能实现室温下较强的紫外受激发射，制备出较好性能 的探测器、l e d s 和l d s 等光电子器件。 目前，围内外尚未有关n a - c o 掺杂z n o 薄膜的报道。我们采用脉冲激光沉积技 术，在s i ( 1 1 1 ) 、s i ( 1 0 0 ) 及s i 0 2 衬底上成功制备出n a - c o 掺杂的z n o 薄膜。利 用x r d 和a f m 分析手段对薄膜的结构和表面形貌进行了表征，利用荧光光谱仪和 椭偏振光谱仪分别测量了薄膜的室温p l 谱和不同波长下薄膜的折射率、消光系数， 用四探针法测量了薄膜的电阻率。讨论了各种衬底、掺杂浓度、衬底温度及靶材等条 件对薄膜结构、光学和电学性质的影响。具体研究内容和主要结果如下： 1 用溶胶凝胶法成功制备了高质量n a - c o 其掺的z n o 陶瓷靶，并用传统的方法 制备了n a - c o 共掺的z n o 粉未靶。 2 通过p l d 法在s i ( 1 1 1 ) 衬底上成功制备出不同n a - c o 掺杂浓度的z n o 薄膜， x r d 结果表明n a 、c o 成功地掺入到了z n o 中，室温p l 谱分析发现n a 、c o 掺杂量 均为1 0 时，薄膜的紫外发射峰值最强，电阻率测量结果表明n a 、c o 掺杂浓度分别 为5 和1 0 时，薄膜的电阻率最低，达到了8 3 4 x 1 0 以q c m 。 3 通过x r d 、a f m 、室温p l 谱及电阻率的测量分析了衬底温度对掺杂薄膜生 长的影响，发现6 0 0 在各种衬底上均能制备出结晶较好、表蟊均匀、紫外发射最强、 导电机制最好的薄膜。 4 在s i ( 1 1 1 ) 、s i ( 1 0 0 ) 及s i 0 2 衬底上制备了c 轴取向的n a - c o 掺杂的z n o 薄膜，经x r d 、a f m 、室温p l 谱及电阻率分析得出s i ( 1 11 ) 衬底是较好的生长衬 底材料。 5 用陶瓷靶与粉末靶对比生长n a c o 掺杂的z n o 薄膜，发现最佳生长温度均为 6 0 0 ，僵x r d 、室温p l 谱及电阻率测量结果表明，陶瓷靶制各的薄膜结构及光学、 v z n o 薄膜及其掺杂的物理性质研究 电学性能较优，说明粉末靶的成膜质量较低。 6 通过分析靶材及生长温度对薄膜折射率及消光系数的影响。发现利用陶瓷靶 材在6 0 0 下制备的掺杂z n o 薄膜结晶较高。薄膜的吸收边约为5 0 0 n m 。 关键词：z n o 薄膜；脉冲激光沉积；光学性能；电学性能；杂质浓度 v l 济南大学硕上学位论文 a bs t r a c t z n oi sai i v ic o m p o u n ds e m i c o n d u c t o rw i t haw i d ed i r e c tb a n dg a po f3 3 7 e va t r o o mt e m p e r a t u r e ，i th a sm a n ya p p l i c a t i o n s ，s u c ha st r a n s p a r e n tc o n d u c t i n gf i l m s ，s u r f a c e a c o u s t i cw a v ed e v i c e s ，g a ss e n s o r sa n dp h o t o e l e c t r o n i cd e v i c e s t h er e p o r to fu l t r a v i o l e t l a s e re m i s s i o no fh i g hq u a l i t yz n ot h i nf i l m sa tr o o mt e m p e r a t u r ep r o m o t e dp e o p l e s i n t e r e s t i n gi nz n or e s e a r c h i n g c o m p a r e dw i t hg a n ，t h em o s ts u c c e s s f u lw i d e b a n d s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a la tp r e s e n t ，z n oh a sm a n yp r o m i s i n ga d v a n t a g e s h i g h q u a l i t yz n o w i t hv e r yl o wd e f i e c td e n s i t i e sc a nb es y n t h e s i z e da t r e l a t i v e l yl o wt e m p e r a t u r e i t p o s s e s s e sl o w e rl i m i n a lp o w e rf o rp h o t o l u m i n e s c e n c ea n ds t i m u l a t e de m i s s i o na n dt a k eo n h i g h e re f f i c i e n c yo fe n e r g yc o n v e r s i o n z n oh a sl a r g ee x c i t o n i cb i n d i n ge n e r g y ( 6 0 m e va t r t ) ，w h i c hp r o m i s e ss t r o n gu vs t i m u l a t e de m i s s i o nf r o mb o u n de x c i t o n i ce m i s s i o n sa t r o o mt e m p e r a t u r e p h o t o e l e c t r o nd e v i c e sw i t l le x c e l l e n tq u a l i t y , s u c ha sd e t e c t o r s ，l a s e r d i o d e s ( l d s ) a n dl i g h te m i t t i n gd i o d e s ( l e d s ) ，c a nb em a d eu s i n gz n of i l m s a tp r e s e n t ，n a - c oc o d o p e dz n ot h i nf i l m sh a sn o tb e e nr e p o r t e da th o m ea n d a b r o a d a n dw eh a v es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e dn a - c oe o d o p e dz n ot h i nf i l m so ns i ( 111 ) ，s i ( 10 0 ) a n ds i 0 2s u b s t r a t eb y p u l s e d l a s e r d e p o s i t i o n t h es t r u c t u r ea n ds u r f a c e m o r p h o l o g yo fa s g r o w nz n of i l m sw e r em e a s u r e dw i t l lx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n d a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) m e a s u r e m e n t so fp h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) s p e c t r aw e r e c a r r i e do u tw i t l laf l u o r e s c e n c es p e c t r o p h o t o m e t e r , a n dae l l i p s et oe x a m i n et h er e f r a c t i v e i n d e xa n de x t i n c t i o nc o e f f i c i e n tu n d e rd i f f e r e n tw a v e l e n g t h r e s i s t i v i t yo ft h ef i l m sw e r e m e a s u r e d b y f o u r - p r o b e m e a s u r e m e t e r i nt h i s s t u d y , t h e e f f e c to fv a r i o u s s u b s t r a t e ，c o n s i s t e n c eo fd o p e de l e m e n t ，s u b s t r a t et e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n tt a r g e to nt h e m i c r o s t r u c t u r e ，o p t i c a lp r o p e r t i e sa n de l e c t r i c a lo fz n of i l m sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h e f o l o o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ed r a w na c c o r d i n gt oa l le x p e r i m e n t si nt h i sp a p e r 1 w ef a b r i c a t e dn a - c oc o d o p e dz n oc e r a m i ct a r g e tu s i n gs o l g e l ，a n dz n op o w d e r t a r g e tu s i n g t r a d i t i o n a lm e t h o d 2 t h en a - c oe o d o p e dz n of i l m sw e r ed e p o s i t e do ns i ( 111 ) s u b s t r a t e sb yp l d t e c h n i q u e t h ex r d r e s u l t si n d i c a t e dt h a tn aa n dc ow e r em i x e di n t oz n os u c c e s s f u l l y t h er o o mt e m p e r a t u r ep ls p e c t r u ma n a l y s i sd i s c o v e r e du ve m i s s i o no ft h et h i nf i l mi s v i l z n o 薄膜及其掺杂的物理性质研究 s t r o n g e s tw h e nn aa n dc od o p i n gd e n s i t yi s 10 t h er e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n tr e s u l t s i n d i c a t e dt h ee l e c t r o n i cr e s i s t i v i t yw a sl o w e s t ，h a sa c h i e v e d8 3 4 x10 _ q c mw h e nn aa n d c od o p i n gd e n s i t yr e s p e c t i v e l yi s5 a n d10 3 t h ee f f e c to fg r o w t ht e m p e r a t u r eo nc r y s t a l l i n eq u a l i t yo fz n od o p i n gf i l m sw e r e a n a l y z e db yx r d ，a f m ，r o o mt e m p e r a t u r e p l s p e c t r u m a n dt h e r e s i s t i v i t y m e a s u r e m e n t w ea c h i e v e dz n ot h i nf i l m s 晰t l lt h eb e s tc r y s t a l l i z a t i o n ，u n i f o r m g r a i n s ，i n t e n s eu v e m i s s i o na n db e s te l e c t r i cc o n d u c t i o nm e c h a n i s mo nv a r i o u ss u b s t r a t ea t t e m p e r a t u r e6 0 0 4 t h en a - c oe o d o p e dz n ot h i nf i l m sw i t hc - a x i so r i e n t a t i o nw e r ef a b r i c a t e do n s i ( 11 1 ) ，s i ( 10 0 ) a n ds i o zs u b s t r a t e s w ef o u n dt h a tt h es i ( 11 1 ) i st h eb e s ts u b s t r a t em a t e r i a l a m o n ga l lm a t e r i a l s 5 w ef a b r i c a t e dz n od o p i n gt h i nf i l m sb yu s i n gc e r a m i ca n dp o w d e rt a r g e t ，a n df o u n d t h a tt h eb e s tg r o w t ht e m p e r a t u r eo fb o t hf i l m si s6 0 0 c b u tt h ex r d ，a f m ，r o o m t e m p e r a t u r ep ls p e c t r u ma n d t h er e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n tr e v e a l st h a tt h eg r o w t hq u a l i t yo f z n o d o p i n gf i l mb ye m p l o y i n gc e r a m i ct a r g e ti sb e t t e rt h a nt h a to fp o w d e rt a r g e t 6 t h r o u g ha n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft a r g e tm a t e r i a la n dg r o w t ht e m p e r a t u r et ot h e r e f r a c t i v ei n d e xa n de x t i n c t i o nc o e f f i c i e n to ff a b r i c a t e df i l m s ，w ef o u n dt h a tt h ez n o d o p i n gt h i nf i l mf a b r i c a t e du s i n gc e r a m i ct a r g e tu n d e r6 0 0 。ch a st h eb e t t e rc r y s t a l l i z a t i o n q u a l i t y t h ea b s o r p t i o no fa l lf i l m si sa p p r o x i m a t e l y5 0 0 n m k e yw o r d s ：z i n co x i d et h i nf i l m s ；p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ；o p t i c a lp r o p e r t y ；e l e c t r i c a l p r o p e r t y ；i m p u r i t yc o n s i s t e n c y v i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒i 羞壅 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据痒进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：啦导师签名：粗日期：垒翌z ：! ：兰， 济南大学硕十学位论文 第一章引言弟一早ji 函 上世纪年代初，石英光导纤维材料和激光器的发明，促进了光纤通信技术的迅速 发展，并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。在半导体的研究过程中， 经历了以s i 和g a a s 为代表的两个发展阶段，s i 、g e 等被称为是第一代半导体材料， g a a s 、i n p 、g a p 、l n a s 及其合金被称为第二代半导体材料，s i c 、g a n 及z n o 等宽带 隙材料被称为第三代半导体材料，由于z n o 在高频大功率器件、短波长光电子器件以 及耐高温器件方面有着s i 和g a a s 无法比拟的优势，因此成为近年来研究的热点。与 s i c 和g a n 相比，z n o 的激子束缚能高达6 0 m e v ，远高于g a n ( 2 3 m e v ) ，z n o 有着比 g a n 更短波长的紫外发光，并且z n o 多r b 延生长温度比g a n 和s i c 低，原料易得、成本 低廉，制备方法多种多样，在未来的半导体发展中有着非常广阔的应用前景。z n o 作 为一种短波长半导体发光材料的研究己经受到研究人员越来越多的关注。 1 1z n o 的结构、性质及缺陷 1 1 1z n o 的晶体结构 表1 1z n o 及其他i i v 族半导体材料的化学性质 材料结构 e g ( e v ) e b e x ( m e v ) f l ( a )c ( a )t m ( ) t g ( ) z n o纤锌矿3 3 7 6 03 2 55 2 01 9 7 55 0 0 g a n纤锌矿3 3 92 53 1 95 1 91 7 0 0 1 1 0 0 z n s e闪锌矿3 7 72 25 6 71 5 2 04 0 0 z n s闪锌矿 2 6 74 0 5 4 1 1 8 5 04 0 0 e g - 室温禁带宽度，e 浮激子束缚能，t m 熔点，t 。生长温度 z n o 晶体为六方纤锌矿结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为 3 3 7e v ，激子结合能达6 0 m e v ，如此高的激子束缚能使得室温下激子不易被热激发， 从而大大提高了z n o 材料的激发发射机制，降低了室温下的激发阈值，因此，与z n s ( 4 0m e v ) 、z n s e ( 2 0 m e v ) 、g a n ( 2 8 m e v ) 等相比，z n o 更适合于在室温或更高温度 下实现高效率的激光发射。【l 】表1 1 列出了z n o 和其他宽禁带半导体发光材料的基本 性质。z n o 的熔点为1 9 7 5 ，具有很高的热稳定性和化学稳定性，z n o 薄膜一般可 1 z n o 薄膜及其掺杂的物理性质研究 以在低于5 0 0 下获得，较g a n 、s i c 和其它1 1 v i 族半导体宽禁带材料的制备温度低 很多，这在很大程度上避免了高温生长导致薄膜与衬底间的原子相互扩散。此外还具 有很强的抗辐射能力，用z n o 材料制作的器件能在较恶劣的环境中工作。总之，这 样一种低成本、对衬底没有苛刻的要求，对环境无毒无害，且易于掺杂的材料显示出 比g a n 更大的发展潜力，可以说它是继g a n 后的一种更有前途的紫外光电子器件材 料2 1 。 在一般的环境条件下，z n o 的热力学稳定相是六角纤锌矿型的晶体结构；室温下， 当压强达到9 g p a 左右，纤锌矿晶体结构的z n o 转变为四方岩盐矿晶体结构，近邻原 子数豳4 增加到6 个，体积缩小1 7 。当外加高压消失时依然会保持在亚稳状态，不 会立即转变为六方纤锌矿结构。1 3 】另外，在立方晶体结构的衬底上还可以制备得到距 稳态的立方闪锌矿型晶体结构的z n o 。i 4 】图1 1 为六角纤锌矿型、立方n a c i 型和立 方闪锌矿型三种z n o 的晶体结构。由于z n o 的热力学稳定相是六角纤锌矿型晶体结 构，通常情况下制备得到的都是六角纤锌矿晶体结构的z n o ，图1 2 为z n o 的六角 ( a ) 六角纤锌矿型( b ) 立方n a c i 型( c ) 立方闪锌矿型 图1 1z n o 的三种晶体结构示慈图 纤锌矿型晶胞示意图，空间群c 6 v 4 ( p 6 3 m c ) ，晶格常数a = 3 2 4 9 5 a ，e = 5 2 0 6 9 a f 5 】， c a = 1 6 0 2 ，略小于理想的六方结构材料1 6 3 3 ，因此c 轴的常数相对的受到压缩。z n 2 + 、 0 2 。的离子半径分别为o 7 4 a 和1 3 2 a 。z n o 键长为1 9 6 a ，小于z n 与。的离子半径 之和2 0 6 a ，即在成键时有部分电子云重叠。由于沿c 轴方向的键受到压缩，c 方向 的孙，o 键长比其它三个键短，因此c 方向的极性不能相互抵消；又由于熬体排列的 周期性和重复性，沿c 方向会产生自发极化现象，此极化对z n o 薄膜的电学性质和 光学性质产生重要影响。z n 原予和。原子各自组成一个六方密堆积结构的子格子， 2 济南人学硕上学位论文 这两个子格子沿c 轴平移0 3 8 5 n m ，套构形成晶胞。每个z n 原子与最近邻的四个o 原子构成一个四面体结构，同样，每个o 原子与最邻近的四个z n 原子也构成一个四 面体。z n 和o 原子相互四面体配位，因此z n 和o 原子在位置上是等价的。z n 面和 0 面在( 0 0 0 1 ) 方向按a a b b a a b b 方式密堆而成，通常把z n 极性面定义为( 0 0 0 1 ) 面，而把o 极性面定义为( 0 0 0 1 ) 面。 表1 2z n o 晶体的一些物理性剧& 8 1 物理参数符号数值 室温下的晶体结构空间群c 6 v 4稳定的六方纤锌矿晶体结构 a o 3 2 4 7 5 3 2 5 0 1 c o a o = 1 5 9 3 0 - 1 6 0 3 5 室温下的晶格常数( a ) c 0 5 2 0 4 2 5 2 0 7 5 ( 理想六方结构为1 6 3 3 ) 分子量m 8 1 3 8 密度( g c m 3 ) p5 6 0 6 熔点( ) t m 1 9 7 5 热容( j g k ) c v 0 4 9 4 热导率( w e m k ) 吼 0 5 9 5 ( a 轴方向) ，1 2 ( c 轴方向) 线性膨胀系数( 10 。6 k ) a a ，a c c6 5 。3 0 静态介电常数 占 8 6 5 6 折射率 n 2 0 0 8 ( a 轴方向) ，2 0 2 9 ( c 轴方向) 弹懒( x l0 1 1 n m 2 ) c i j c l l = 2 0 9 6 ，c 3 3 = 2 1 0 9 ，c 1 2 = 1 2 11 ， c 1 3 = 1 0 51 ，c 4 4 = 0 4 2 5 压电常数( c ，m 2 )e i j e 3 1 = 0 6 1 ，e 3 3 = 1 1 4 ，e 1 3 = 一0 5 9 3 0 0 k 下禁带宽度( e v ) e g 3 3 7 激子束缚能( m e v ) e c x “0 激子波尔半径( r i m ) a a 2 0 3 本征载流子浓度( c m 。) n 1 0 0 m j ，重复频率1 - - - - 3 0 h z 。输出激光经透镜反射和聚光，改变激光的 传播方向以对准靶，并可调节激光照射在靶上光斑的大小。 ( 2 ) 反应室系统 反应室系统主要由真空室、衬底加热器、样品架、靶台和档板组成。真空室密封 性良好，通过抽气系统，本底极限真空优于2 x 1 0 。8 p a ，镀膜时可充3 , 1 0 石 - - - 1 0 1 p a 氧气、 氮气、氩气等工作气体；衬底加热器为盘状镍铬电阻丝，功率为1 5 0 0 w 。样品架包括 衬底样品架和靶样品架，衬底样品架位于加热器前，最高可加热至1 0 0 0 ( 2 - 4 - 1 ，靶台 带有6 个靶座，每个靶座可以自转，同时还可以随着靶台公转。靶台和样品台的转动 是为了改善薄膜的均匀性，转动速率由控制系统控制。在靶样品架和衬底样品架之间 有一挡板，用来防止颗粒状杂质对衬底的沾污。 ( 3 ) 抽气系统 采用涡轮分子泵抽气，极限真空优于6 6 x10 p a 。 ( 4 ) 供气系统 氧气气氛对与生长n a - c o 掺杂的z n o 薄膜是必不可少的。我们采用高纯氧提供反 应气氛，钢瓶内气压约为，调节输出气压后，在质量流量控制器的控制下向反应室系 统供气。 ( 5 ) 控制系统 控制系统主要用来控制p l d 生长过程中激光气工作电压、激光重复频率、衬底温 度、衬底和靶的距离、氧气流量等实验参数，精确控制这些参数是探索n a - c o 掺杂z n o 薄膜生长工艺的基础。 2 l z n o 薄膜及其掺杂的物理忭质研究 2 5z n o 薄膜的表征 对材料特性进行测试与表征是材料研究工作中必不可少的部分内容。只有通过 多种测试仪器对材料的各种性能进行充分的表征和分析之后，才有可能对它的质量做 出正确的评价，从丽为改善材料性能提澎有效的措施。 由于纳米粒子的形貌、大小用普通的光学显微镜无法分辨，只有借助电子显微镜 来检测，目前常用的表征z n o 薄膜特性的测试方法主要有以下凡种。 2 5 1x 射线衍射( 舯) 分析 在晶体中，原予傲周裳性排列形成三维点阵。如图2 。6 所示，一束波长为冀戆平行 x 射线束入射到晶体上，也就是入射到点阵上，可以认为原子或基元代表的每一阵点 是一个数射波的次波源，对于一个点阵西，只有入射焦等于反射焦方向的散射，放不 同阵点来的各散射波相位相同，才会出现相干加强，得到反射波；其它方向由于各散 射波相位不同，相于相消，是得不到反射束的。 面间距为d 的相邻晶面的反射光束，其光程差为： o a + o b = d s i n 0 + d s i n o = 2 d s i n o ( 2 1 ) 只有搬光程差是波长的整数倍时，即 2 d s i n o - - n 2 , n - - o ，l ，2 1 1 + ( 2 2 ) 才相干相长，才能得到“反射”光束。上式即为著名的布喇格公式，式中名是入射x 射 线的波长，秽角称为布喇格角，2 移称为衍射角。 b r a g g s l a w 图2 6 布喇格反射 原则上，每一种结晶物质都有其特定的结构参数，包括点阵类型、晶胞大小、晶 胞形状、晶胞中原子的种类及位置等，这些参数都表现在其x 射线的衍射线条的数冒、 2 2 济南人学硕十学位论文 位置及强度上。因此，可以根据衍射线条的位置和强度来确定物相。又由于含几种物 相的混合试样所得的x 射线衍射花样是各个单独物相衍射花样的简单叠加，根据这一 原理，就有可能把混合物相中的各个物相分析出来。 x 射线衍射除了用于物相分析外，还可用于晶粒颗粒的粒径分析、晶格常数的计 算和薄膜内部应力的分析： ( 1 ) 估算晶粒尺寸 当晶粒尺寸大于1 0 4 c m 时，其衍射峰的宽度随晶粒大小的变化不敏感；而当晶粒 小于i 0 巧c m 时，其衍射峰随晶粒尺寸的变小而显著宽化，其晶粒大小常用s h e r r e r 公式 来估计7 5 】： d = 0 8 9 兄b c o s 矽( 2 3 ) 式中d 为晶粒大小，名为x 射线波长，b 为衍射线的半高宽，p 为布喇格角。 ( 2 ) 计算晶格常数 将b r a g g 方程： 2 d ( h k l ) s i n o - - n 允( 2 4 ) 和六方晶系的晶面间距公式7 6 1 ： l 4 ( h 2 + h k + 后2 ) ，2 蟊 3 a 2 f ( 2 5 ) 联立，可以计算z n o 的晶格常数。例如由( 0 0 2 ) 晶面的衍射数据可得c 轴晶格常数 弘2 氐z2 南( 2 6 ) 同理，用( 1 0 0 ) 晶面的衍射数据可得a 轴晶格常数 2 ， 名 口2 万d 1 0 02 q r ；s i n t 9 ( 2 7 ) 对于立方晶系，晶面间距公式为： 1h 2 + k 2 + ，2 口2 ( 2 8 ) 由( 11 1 ) 晶面的衍射数据得： 口= 帆= 蛊吨m ( 3 ) 薄膜内部应力分析 z n o 瓣膜及更掺杂的物理忭质研冤 在异质外延的z n 0 薄膜中通常存在有残余应力，应力会影响电子器件的性能，引 起器件成品率及可靠性问题。因此分析薄膜内部应力随生长条件的变化是有一定意义 的。假设薄膜与衬底材料均属于立方晶系，在界面处衬底的晶格常数为氐薄膜的品格 常数为a f ，定义晶格失配度旧为： 厂：盟 呸 ”( 2 1 0 ) 若f a f , 那么在外延生长时，薄膜晶胞在平行于衬底的生长面内将会受 到拉伸，而在垂直于衬底表面的方向被压缩；f ( b ) 6 0 0 图4 1 0 不同衬底上制各的薄膜x r d 谱 5 0 济南大学硕上学位论文 表4 4 薄膜的c 轴晶面间距和晶格常数 5 0 0 6 0 0 粉末 s is i s i s i z n o s i 0 2s i 0 2 ( 1 1 1 )( 1 0 0 )( 1 l1 ) ( 1 0 0 ) 口( o )1 7 2 4 21 7 1 6 11 7 2 2 11 7 2 0 71 7 2 3 21 7 2 3 91 7 2 3 3 d ( a )2 5 9 9 02 6 1 0 62 6 0 0 02 6 0 3 92 6 1 5 12 6 0 0 52 6 0 1 7 c ( a )5 1 9 8 05 2 2 1 25 2 0 0 05 2 0 7 85 2 3 0 25 2 0 1 05 2 0 3 4 实验发现，各种生长温度下，在s i ( 1 11 ) 衬底上生长的薄膜其( 0 0 2 ) 衍射峰值 最强，生长的薄膜质量最高，晶面间距均小于标准值5 2 0 6 9 a ，这说明薄膜在沿平行 于衬底的方向受到张应力，使得a 轴变长，c 轴变短。其可能的原因解释如下：原子 之间的距离取决于原子间引力和斥力的平衡，以。原子为中心的正四面体中，在c 方向上连接z n 原子，而在a 方向上靠近o 原子。这样，新填充的氧原子会在c 方向 上产生引力，使得c 轴变短，而在a 方向上有可能与相邻的o 原子产生斥力使得a 轴变长。 s i 0 2 衬底上沉积薄膜具有一定的特点。s i 0 2 的特点是“长程无序，短程有序”，即 从较大范围看，原子排列是混乱的、无规则的，但是从小范围看( 1 - 1 0 n m ) 原子排 列却并非完全混乱，而是由s i o 四面体组成的三维网络，s i 位于四面体的中心，如 图4 1 1 ( a ) 和图4 1 1 ( b ) 所示。图( a ) 表明s i 0 2 具有面心立方结构，在其( 1 1 1 ) 方向，如图( b ) 所示，s i 0 2 是一种六方结构晶体，在( 1 1 1 ) 面内s i 原子之间的距 离是0 5 2 n m ，o 原子之间的距离约为0 2 6 n m ，o 原子成为s i o 键和o z n 键的过渡。 按照晶格失配度计算公式： ，：竺! 二! ( 4 3 ) 。 口， z n o 的a 。- - 3 2 4 9 a ，因此s i 0 2 和z n o 薄膜的失配度约为2 4 ，考虑到s i 0 2 长程无 序的特点，所以在s i 0 2 衬底上z n o 薄膜不能直接进行晶格匹配，而是要经过一个驰 豫和重新定向的区域。 因此，我们得出在相同的沉积条件下，s i ( 1 11 ) 衬底上沉积的掺杂z n o 薄膜结 晶质量比较优良。 z z o 薄徭殷其掺杂的物理性质研究 血凰 a ) s i 0 2 晶体空间嘲状示意图 ( b ) s i 0 2 晶胞示意图 圈4 1 1s i 0 2 晶体及品胞下恁曰 吲4 1 2 ( a ) 、( b ) 和( c ) 分别显示了5 0 0 c 下在s i ( 1 1 1 ) 、s i ( 1 0 0 ) 和s i 0 2 衬 底上生长的掺杂z n o 薄膜的a f m 图像。图像以接触模式获得，扫描范围为 5 坤z x 5 a n 。丁以看出在不同衬底卜生长的薄膜都获得了较好的晶粒但其表面也呈 现出各自不同的特点。= 种衬底卜生长的薄膜晶粒尺寸及薄膜表面平整度有所不司a 以上结果说明，不同衬底对薄膜的结构和表面形貌都有影响。 。 ：j j t 。，i ? 囊1 ：? “。二1 “ ： j ， ? p ? ，： l1 i ：。一1 ( b ) ( c ) 图4 1 2 不同村底上生长的薄膜的a f m ：( a ) s i ( 1 1 1 ) ，( b ) s i ( 1 0 0 ) ，( c ) s i 0 2 5 2 济南大举硕上学竹论文 4 3 3 衬底对薄膜光学性质的影响 对6 0 0 下在三种衬底上沉积的薄膜进彳亍室温p l 测量，激发波长3 2 5 n m 。如图 4 1 3 ( a ) s i ( 1 1 1 ) 、( b ) s i ( 1 0 0 ) 和( c ) s i 0 2 所示。 ，、 ： 为 、- 一， 、 c o e - _ 、 ： 露 、一 价 c 3 5 0 4 0 04 5 0 5 0 05 5 06 0 0 6 5 0 w a v e l e n g t h ( nm ) ( a ) s i ( 1 1 1 ) 衬底 3 5 04 0 0 4 5 05 0 05 5 0 6 0 0 6 5 0 w a v e l e n g t h 御m ) ( b ) s i ( 1 0 0 ) 衬底 5 3 z n o 薄膜及其掺杂的物理性质研究 j ： 罚 、- ， 、 c o e - w a v e l e n g t h n 潲) ( c