铟掺杂对氧化锌薄膜的结构和光致荧光特性的影响

1、    铟掺杂对氧化锌薄膜的结构和光致荧光特性的影响    辛萍刘洋刘昱摘 要：采用反应磁控溅射方法，在si（100）基片上制备了铟掺杂的氧化锌薄膜。利用x射线衍射、电子探针、光致荧光光谱等表征方法，研究了薄膜的结构、铟含量和光致荧光性能。结果表明，薄膜具有六方纤锌矿结构和高c轴择优取向。通过光致荧光光谱的测量，只发现了紫外带边发射峰，未发现明显的深能级缺陷发光，因此in的掺杂改善了薄膜的深能级缺陷。关键词：in掺杂zno;磁控溅射;结构;光致荧光doi：10.16640/ki.37-1222/t.2019.23.031氧化锌（zno）是一种直接带隙的新

2、一代-族半导体材料，具有纤锌矿晶体结构，禁带宽度3.37ev。室温下的激子束缚能为60mev，能有效实现室温下紫外受激发射。为满足特定波段发光的需要1，可在zn2+所在位置掺杂金属元素2，对改善zno纳米材料的导电性和光学性能具有显著的作用3。由掺杂所产生的杂质能级对zno薄膜起到了改性作用。其中in的离子半径为0.081nm，与zn离子的半径（0.074nm）接近。掺入in可较大程度上减少zno的晶格畸变，在发光器件方面应用前景广泛。1 实验部分1.1 基片处理实验基片为n型100取向单晶硅片，厚度420mm。实验前对硅片进行清洗：分别在入丙酮、乙醇和去离子水中，超声清洗5min;放入体积比

3、为1：3的h3po4和h2so4的混合溶液浸泡20h;放入5%的氢氟酸溶液中腐蚀2min;经去离子水冲洗、n2吹干后，放入真空室。1.2 溅射过程实验用纯度优于99.99%的金属zn作为溅射靶，直径60mm，厚3mm;金属in粒嵌于zn靶上，其直径为3mm。溅射用气体为ar和o2的混合气，工作气压0.5pa，基片温度750。实验中，逐个增加嵌入的in粒个数来得到不同的掺杂浓度。实验样品的溅射时间为2小时。1.3 表征方法用x-射线衍射d8系列仪器（cuka辐射，l=0.154056nm）分析结构和结晶特性;用epma-1600型电子探针-扫描显微镜分析in的百分含量;用卓立汉光sbp500型光

4、栅光谱仪（he-cd激光源，l=325nm）测量室温光致荧光光谱，波长范围为330-750nm。2 结果与讨论2.1 x射线衍射分析各样品的in的掺杂浓度在0.011%1.324%。各样品的xrd图谱均显示了明显的（002）特征衍射峰，说明所有的实验样品都是六角纤锌矿结构，即zno薄膜存在明显的c轴择优取向。图谱中没有出现其它zn-in化合物的分离相衍射峰，说明in离子在zno晶格中很好的取代了zn2+的位置。但掺杂浓度为0.913%和1.324%的这两个样品（002）衍射峰强度不大，说明随着in的掺杂浓度的增加，薄膜缺陷较多，结晶度不高。根据scherrer公式4计算薄膜的结构参数：d=0.

5、94l/bcosq式中：d为晶粒尺寸大小;l为cuka射线波长（l=0.154056nm）;b为半峰宽大小;q为布拉格衍射角。由计算结果，薄膜的晶格常数基本接近，为0.52nm。晶粒尺寸在24-35nm之间，掺杂浓度为0.011%、0.013%和0.136%的样品，其晶粒尺寸较大，数值为32-35nm，说明这几个样品结晶质量相对较好。当掺杂浓度高于0.478%后，晶粒尺寸减小，结晶度降低，源于zn、o原子计量比失调，对应的衍射峰强度逐渐减弱5。2.2 室温光致荧光光谱分析所有样品在3.23ev-3.30ev之间均有明锐的紫外带边发光峰，没有出现与氧空位对应的发光峰。刘炳胜等人认为，在in掺入z

6、no后，相比于zn-o键，in-o键的焓更高，有效阻止了o的溢出，从而抑制了氧空位的形成3。而紫外带边发光峰则来源于自由激子辐射复合。另外，在2.0ev处，三个样品有不太明显的深能级缺陷发光，其余样品都没有出现深能级缺陷发光。从未掺杂的纯zno的光致荧光光谱来看，在2.0ev附近的深能级缺陷发光十分明显。而这个深能级缺陷发光与晶格中的zn填隙和o空位有关。可见，深能级缺陷发光的减弱是由in的掺杂引起的。3 结论制备的in掺杂zno薄膜in含量在0.011%1.324%之间。薄膜具有纤锌矿结构，存在明显的c轴择优取向。薄膜有较多缺陷因此结晶度不高。在in浓度低于0.478%范围内的样品的结晶质量

7、相对较好，晶粒尺寸在32-35nm之间。样品的光致荧光光谱在只有3.28ev附近的紫外带边发射峰，没有明顯深能级缺陷发光，是由于in的掺杂所引起的。参考文献：1李世帅，张仲，黄金昭等.in掺杂zno薄膜的制备及其白光发射机理j.物理学报，2011，60（09）：097105.2venkataprasad b s，deepak f l.tuning the band gap of zno by substitution with mn2+，co2+ and ni2+j.solid state communications，2005（135）：345-347.3刘炳胜，韩仁学.铟掺杂氧化锌纳米线的制备及光致发光特性j.硅酸盐学报，2010，38（02）：163-166.4p.scherrer. guttinger nachrichten.1918（02）：98.5sahu d r，lin s y，huang j i.improved properties of a1-doped zno film by electron beam evaporation techniquej