磁控溅射法制备ZnO薄膜在不同衬底上的特性.doc

磁控溅射法制备ZnO薄膜在不同衬底上的特性摘要在这项研究中，我们研究在不同O2/Ar反应气体比例下含氧衬底和无氧沉积衬底上的ZnO而结晶度是从沉积在玻璃上的氧化锌上观察到的。所有的薄膜中发现有压应力，这是由环境中的氧气退火松了一口气。当在O2/Ar比为0.25氧化锌薄膜沉积在玻璃显示p型导电，而对那些取得了氮化硅p型导电4时，在O2/Ar比准备。此外，较浅氧填隙似乎是从薄膜找到更好的结晶。在对Zn2p3 / 2的结合能最大的转变是观察到氧化锌编写的玻璃在O2/Ar比为0.25，而这是由氧化锌的O1s得到氮化硅沉积在O2/Ar对4的比例。一个模型，提出了氧的扩散和氢脱附条件来解释观察到的特性基板和O2/Ar比值的变化而定.1 简介氧化锌（ZnO）被称为是一宽能隙（3.37 eV）的一个大激子束缚能（60毫电子伏特）的半导体。它拥有众多的应用领域，诸如光电子学和信息显示无论是透明的电极或氧化物半导体。特别是，ZnO薄膜作为对最近与一个玻璃或塑料基板在低温下良好的效率薄膜晶体管制造新型材料出现3-5，这是透明的软性电子的重要，例如，下一代信息显示屏。对尚未为与优质可靠的设备的开发解决的根本问题之一是在确保为更容易在反兴奋剂设备制造高电阻和稳定的掺杂p型ZnO薄膜的困难。 p型ZnO薄膜的制备仍然是一个挑战，由于受主掺杂，深受体水平低的溶解度，以及自我受体掺杂补偿的内在捐助者6,7 许多研究组8-12先前研究未掺杂ZnO的制备采用磁控溅射，脉冲激光沉积，化学气相沉积法在不同反应气体之间的比率，即Ar和O2的电影。 p型ZnO的形成进行了观察到的薄膜在O2丰富的条件下存放。然而不幸的是，基片的温度不低的制造工艺，这是如宽领域的信息透明的电子显示器或兼容的应用所必需的。 ITO导电性能的其中一项或通常使用的电介质制备氧化锌ZnO薄膜的特点，必须认真利用这些应用领域充分发挥其潜力. 在这项研究中，我们研究氧化锌的性质在最近的显示技术使用的各种衬底。我们目前的玻璃，氮化硅的影响，对掺杂氧化锌和ITO使用无线电频率（RF）磁控溅射薄膜基板。我们还讨论了观测特性的微观机制.2 实验氧化锌薄膜采用了99.99的氧气都含有基板，即玻璃和ITO玻璃上沉积的纯氧化锌光盘，没有氧气含量衬底的射频磁控溅射系统的准备，即在玻璃上沉积氮化硅利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）。混合物99.999的纯氩气和氧气的气体被用来作为反应气。氩气和氧气的流量为独立调整，由16至64 sccm的。溅射射频功率为240瓦，并在20毫托溅射压力。持续了33分钟溅射在衬底温度为250 8C条。典型的薄膜场发射扫描电子显微镜（FESEM）排放厚度估计在100-120 nm范围内的。氧化锌薄膜，随后在30双氧水浸泡在30 8C条，以提高已备妥薄膜性能稳定1分钟。最后对样品进行了退火520 8C条在不断的氧气流量为60 7.5升/分分. 化学，结构，以及薄膜的光学性质通过X射线光电子能谱（XPS）与单色嘉能源基地，X射线衍射仪（XRD）和一铜Ka1辐射光源（= 0.15406 nm）的和光致发光（PL）的测量在室温下使用作为激发源，他镉325纳米的激光，分别. 载流子浓度，流动性和样品的电导率测量中使用范德堡配置的霍尔效应测量系统。欧姆接触，形成了由50纳米厚的钛溅射和50 nm厚的金，在氮气合金化450 8C条3分钟后。3 结果与讨论霍尔测量，在室温下进行，结果如表1所示。可以看出，在O2/Ar 0.25比对玻璃形成的薄膜，发现为P - 4，而在O2/Ar比那些准备在玻璃上被认为是n型的类型。准备在O2/Ar 4比对氮化硅另一方面，样品，发现P型导电性。获得一致的结果纷反复测量。另一方面，不一致的结果是从氧化锌沉积在玻璃上获得中级O2/Ar比，即1.5和2.0，这是未在表1所示。换句话说，霍耳系数（哈耳系数）变化反复取决于磁场方向。也是同样的道理就在O2/Ar氮化硅准备比率为0.25的样品，并表示我们对这些案件导电类型为（+）。这些结果是矛盾的一些以往的研究报道9,12，其中观察O2/Ar比值小于团结更大，分别为p型和n型ZnO形成。表1在室温为一本研究中制备的样品系列温度霍尔测量结果。 （+）表示该导电类型是不确定的。样本迁移率(cm2/V s)浓度(#/cm3)电阻率(Vcm)导电型在玻璃上沉积在0.25 O2/Ar1.823.1_10*141.9_10*2p在玻璃上沉积在4 O2/Ar26.362.0_10*151.2_10*2n在氮化硅上沉积在0.25 O2/Ar-(+, _)在氮化硅上沉积在4 O2/Ar78.299.1_10*1488p图。 1。 PL谱从各种基材准备在两个不同的氧气/氩气比氧化锌薄膜：（一）O2/Ar = 0.25（氧气缺乏的条件）和（b）O2/Ar = 4（氧气丰富的条件）。图1列出了房间温度对退火样品发光分析的结果。这是一目了然值得注意的ZnO薄膜在O2/Ar 4比编写表明在可见光范围内完全不同的光谱取决于基材含有氧。如图所示。 1（a），这表明在PL谱在O2/Ar比为0.25，氧化锌编写含氧基板展出1.92红色发光（RL）的电子伏特的氧空位（Vo）13和起源样品获得/或锌填隙（Zni）14，橙色发光（OL）为2.08 eV的氧离子与单质（Oi）15 黄色发光在2.25（YL）电子伏特由于氧填隙（Oi）16，绿色发光（GL）为2.35和2.42 eV的峰归因于单个离子武（Vo+）8,17 - 19，一阶纵光学声子副本自由电子受体的过渡（1LO）（FA）在3.12 eV的20，FA在3.19 eV8,20和自由激子复合（FX）在3.26 eV的16。额外的高峰出现在2.73和3.06eV。Lin et al. 16编写的SiNx在2.21-2.25范围在O2/Ar比为0.25，元朗峰eV的样品和GL峰本案的2.35 - 2.42 eV的范围内，以及在3.06 eV的不遵守相关峰值为VZn 。相反，一个比较薄弱的高峰被加2.17 eV的观察这显然是相同的高峰，范等。 17发现在2.20 eV和分配给与YL有关的Oi。当存放在O2/Ar比4，如图所示。 1（b）项，对氮化硅氧化锌在2.08显示了主导醇，RL在1.92，在2.17YL，GL为2.35，在FA的1LO为3.12，FA在3.19和3.26。另外一个峰，在3.03 eV，这可能是一个VZn 22的结果。另一方面，在样本情形下对氧含衬底，一峰数，出现了相对较弱的优势能在可见光范围内，即在1.92 RL，OL为2.08，YF在2.17，和GL为2.35的和2.42电子伏特。FA的第一阶纵声也观察到随着3.12 eV的峰值在3.19FA以及VZn - 在3.03 eV的相关峰。特别是在揭示一个玻璃氧化锌在2.97 eV的额外的峰。Jin et al。 23有关本紫色发光（VL）到界面陷阱氧化锌在晶界附近的耗尽区存在。其中氧化锌薄膜内知名的原生缺陷，Zni被认为是最流动和进出种粮通过晶界移动24。因此，我们建议有关的外观界面陷阱VL的是增加Zni密度的迹象。在对氧含基板制备的样品的情况下，它是由图比较明显。 1（a）与图。 1（b）该差额O2/Ar比未根据似乎是OL和YL的实力。因此，我们建议，p型导电玻璃是在从O2/Ar比为0.25测量薄膜是一种Oi与Oi-形成的结果以及它们的密度。注意到Oi有关YL2.17 eV的强度在相当大的情况下微弱的氧化锌对氮化硅沉积O2/Ar比为0.25，在这种情况下，不确定的导电类型似乎是由于带来的Oi容量不足，这被认为必要的补偿，如Vo这样的缺陷，以发展PTYPE的导电性。另一方面，未观察到氧化锌的差异上O2/Ar比上取决于氮化硅沉积似乎是对VZn相关峰的存在。在4 O2/Ar编写的薄膜揭示了在3.03 VZn相关峰电子伏特。因此，看来合理的假设，在p型导电类型从准备在4 O2/Ar对氮化硅是由于VZn-带来的样本观察。图。 2。从X射线衍射准备在两个不同的O2/Ar比例对各种基材和ZnO薄膜的光谱后处理中的氧气退火处理30的H2O2：（a）O2/Ar = 0.25（b）O2/Ar = 4。插图显示从asdeposited样品获得的光谱。图。 3。从准备的XPS在两个不同O2/Ar比例对各种基材和ZnO薄膜的光谱后处理中的氧气退火处理30的H2O2：（一）O2/Ar = 0.25（二）O2/Ar = 4。Substrates Concentration (at.%)As-depositedAnnealedDCDeposited on glass at O2/Ar of 0.2543.346.22.9Deposited on glass at O2/Ar of 446.447.91.5Deposited on SiNx at O2/Ar of 0.2545.348.43.1Deposited on SiNx at O2/Ar of 4 4 6.2482.1表3 O浓度取决于衬底和O2/Ar比。 DC是由退火诱导O浓度的变化。图。 2显示了X射线衍射谱获得的沉积氧化锌薄膜以及随后的氧气环境中30的过氧化氢退火后治疗的。垂直的光谱进行了清晰视野移为任意数量。可以看出，asdeposited准备好的样品在玻璃产生最低程度的结晶，无论O2/Ar比使用。此外，所有的asdeposited样本中发现有压应力的（0 0 2）面间距估计低于其大部分的价值，这是0.26033纳米较大（D值）表示。这一结果与先前的报道25,26的一致。在氧气退火显然带来的明显的估计的D -越来越近0.26033 nm的价值约更好的结晶以及时效。氧气退火ZnO薄膜在ITO导电似乎有最好的结晶，无论O2/Ar比使用。XPS分析进行了探讨化学状态以及锌浓度和O原始数据表明，大量静电荷注意到由于基板不导电的地方使用。因此，我们所观察到的光谱以校准的C1s峰作为参考。图。 3介绍了XPS分析结果获得的校正作为沉积氧化锌薄膜以及随后在氧气退火处理30的H2O2处理的。可以看出，结合能（BE）的O1s的在于530.7-531.75 eV的范围，以及Zn2p3 / 2在1021.8-1023.0范围eV的制备条件和基板不管用。对于所有的样品被观察到走向转变为能量较低的退火后果。可移（DE）的热治疗诱导估计为Zn2p3 / 2和O1s和表2总结。可以看出，对Zn2p3 / 2个最大的DE是从玻璃准备在0.25 O2/Ar样本观察。对Zn2p3 / 2移位是朝着降低能源被称为金属锌表示，由于其氧化27的损失。因此，我们建议对于Zn2p3的DE朝着降低能源/ 2解是一个Zni损失，由于其氧化的迹象. 另一方面，氧化锌沉积O2/Ar产生了4 O1s的情况下在DE上最大的氮化硅。应该指出的是这样的O1s的是稍微比样品大沉积在玻璃上的氮化硅不管O2/Ar比。这是一起以PECVD制备氮化硅事实上，含有大量的氢，表明了H在O - H型28和Zn - H的29的存在。氢退火显然是出在与锌的陪同下一些后热的过程。 H的解吸率预计将在更高O2/Ar比制备的样品中，由于少得多，氧通量较高的退火气氛。因此，我们建议豁免向能量较低的O1s的是H脱附的迹象。在玻璃上制备样品的情况下，大大降低氢量预计将在电影中30。因此，由于氧气在氧化过程中锌也可以发挥作用，在这种情况下，消费的损失。对转移O1s的结合能较低的值是以前观察到银氧化物和归因于银31氧化.对O浓度也是从XPS分析来估计。表3总结了O浓度以及它的变化，由于退火。由于沉积了更高O2/Ar比制备的样品产生了O浓度较高的预期。在氧气环境退火似乎增加了薄膜的O浓度。此外，退火样品中发现有类似的O浓度，这可能意味着存在时首选的化学计量平衡是维持整个热处理。如表所示，在O约3浓度的增加是在电影中表现出沉积在玻璃和较低的O2/Ar比氮化硅，而1.5和2.1，在O浓度的增加是来自于玻璃和氮化硅薄膜制备一观察高O2/Ar比分别。众所周知，在ZnO与退火环境浓度差是0.25比在O2/Ar作出更大的样本，似乎合理的，这些影片中经历了很多，更多的氧气通量环境duringannealing。这也是值得注意的氧化锌的制备O2/Ar 4比对氮化硅取得略大O浓度的增加（DC）的数量比电影在玻璃上沉积在相同条件下。该机制的导电类型的形成和在O浓度的变化取决于负责基板以及沉积条件，目前没有明确的理解。然而，我们提出了一个假说，努力所述占所观察到的结果如下。值得一提的是，所有的样品中含有两种受体样和donorlike缺陷，因而导电类型似乎是一个缺陷之间的两种类型占优势的结果。在比较过程中首选的化学计量氧缺乏的条件下沉积，沉积样品预计大多含有Vo和Zni。由于影片中包含了O数量相对较少相比，薄膜在O2丰富的条件下存放，更多的氧气会从周围扩散退火过程中成片。在对氧的氧化锌含基板的情况下，氧气预计扩散成片无论从环境以及底物，对施子态缺陷起作用和Oi的形式一样。补偿的Zni氧化是显而易见由Zn2p3向能量较低（见表2）/ 2 maximumDE。另一方面，在案件的沉积氮化矽上氧化锌，在从基材氧气扩散不会发生在稍差的爱密度。此外，H的存在有助于捐助型导电性32。在退火过程中的H解吸受到阻碍，预计在这种情况下，在一定程度由于大面积的氧气通量的环境。不确定的导电类型的观察测量大厅似乎是这些影响的结果。当在O2丰富的条件下存放，与爱的VZn显然是首选的形成过程中由于在这些情况下氧气充足的沉积。在-氧气从空气中扩散退火预计将在O2比较少，缺乏薄膜条件下制备的由DC表示稍小，表3。在ZnO在O2上丰富的条件下制备氮化硅的P型导电性的观察情况似乎是一个Vzn形成的后果由向能量较低（见表2）O1s的maximumDE由于锌- H的解吸一样明显和EV由一个VZn相关峰3.03存在（见图。1款（b）。在对氧的氧化锌含准备情况基板，外扩散，从氧化锌的