ZnO薄膜的制備及其光學性質的研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種新型的寬禁帶Ⅱ-Ⅳ族化合物半導體材料，禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能為60meV。ZnO薄膜具有優(yōu)良的光學、電學性能，在許多領域具有現(xiàn)實及潛在的應用，如表面聲波器件、透明電極，紫外光探測器、發(fā)光二極管、壓電器件、氣敏傳感器及平面波導等。近年來，隨著短波長發(fā)光器件的廣泛應用，ZnO薄膜作為直接帶隙寬禁帶半導體材料引起了國內外材料界的極大關注，成為繼GaN之后光電研究領域又一熱門研究課題。
　　 在本論文的

2、工作中，我們采用射頻磁控濺射技術在石英玻璃襯底上制備出了高質量的ZnO薄膜，并采用多種分析方法對其結構、表面形貌、成分、膜厚、光學及光波導特性進行了研究。論文主要內容如下：
　　 首先，我們研究了工作壓強對ZnO薄膜結構和光學性質的影響。利用X-射線衍射技術分析了ZnO薄膜的結構和結晶情況，結果表明，在濺射壓強較低的條件下，制備出了高度c軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜，隨著工作壓強的降低，薄膜的結晶質量先得到提高，后下降，工作壓強為0.

3、5Pa的樣品在同組樣品中具有最好的結晶質量。利用原子力顯微鏡(AFM)研究了薄膜的表面形貌，分析了工作壓強對薄膜表面粗糙度的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，工作壓強為0.5Pa的樣品算數(shù)平均粗糙度(2.579nm)和方均根粗糙度(3.249nm)在同組樣品中最小，薄膜結晶質量最好，與X射線衍射分析結果一致。通過背散射技術(RBS)分析了薄膜的成分，并研究了工作壓強和薄膜的沉積速率之間的關系。應用RBS譜從Zn及O元素背散射離子的產額估算出了Zn元素與O

4、元素的原子數(shù)比，結果表明，膜中Zn∶O約為1∶0.96接近于靶材中Zn、O元素的含量比。并成功的制備了ZnO/SiO2薄膜波導結構，應用棱鏡耦合技術測量各樣品TE模和TM模對633nm波長光波對應的有效折射率，應用這些有效折射率值，估算了膜的折射率，結果表明，所制備的薄膜的折射率小于塊狀ZnO晶體的折射率，濺射壓強越小樣品的折射率越接近于塊狀晶體材料的折射率。
　　 其次，我們研究了濺射功率對ZnO薄膜結構和光學性質的影響。通過

5、X射線衍射分析了ZnO薄膜的結構和結晶情況，結果表明，濺射功率分別為100W、120W和150W條件下制備的ZnO薄膜均為c軸擇優(yōu)取向，增大濺射功率，有利于提高薄膜的結晶質量。應用原子力顯微鏡研究了薄膜的表面形貌，分析了
　　 濺射功率對薄膜表面粗糙度的影響。結果表明，增大濺射功率有利于增大晶粒尺寸，改善薄膜的結晶質量，使薄膜表面粗糙度降低。濺射功率分別為120W及150W條件下，應用射頻磁控濺射技術成功的制備出了ZnO/SiO

6、2薄膜波導結構。用棱鏡耦合法檢測了ZnO/SiO2薄膜波導結構，測量了樣品TE模和TM模對633nm波長光波對應的有效折射率，應用這些有效折射率值，估算了膜的折射率，結果表明，所制備的薄膜的折射率小于ZnO塊狀晶體的折射率，濺射功率越大樣品的折射率越接近于塊狀晶體材料的折射率。
　　 第三，我們分析了襯底溫度對ZnO薄膜結構和光學性質的影響。通過X射線衍射分析了ZnO薄膜的結構和結晶情況，實驗發(fā)現(xiàn)，襯底溫度對薄膜的結晶情況有重要

7、的影響，適當提高襯底溫度，有利于提高ZnO薄膜的c軸擇優(yōu)取向及結晶質量。襯底溫度為300℃時(002)面衍射峰強度最弱，且c軸晶格常數(shù)比標準ZnO晶體晶格常數(shù)小0.0352(A)，而其它溫度下制備的ZnO薄膜樣品c軸晶格常數(shù)均大于標準晶體晶格常數(shù)，這說明襯底溫度為300℃時，ZnO薄膜的生長方式發(fā)生了變化。利用原子力顯微鏡研究了薄膜的表面形貌，分析了襯底溫度對薄膜表面粗糙度的影響。利用棱鏡耦合法檢測了ZnO/SiO2薄膜波導結構，測量了

8、樣品TE模和TM模對633nm波長光波對應的有效折射率，應用這些有效折射率值，估算了膜的折射率，結果表明，不同襯底溫度下制備的ZnO薄膜的折射率小于ZnO塊狀晶體的折射率。通過紫外-可見光分光光度計分析表明，不同襯底溫度下制備的ZnO薄膜可見光區(qū)平均透射率超過80％，其禁帶寬度在3.32-3.35eV之間接近于ZnO塊狀晶體的禁帶寬度。
　　 最后，我們研究了濺射沉膜時間對ZnO薄膜結構和光學性質的影響。通過X射線衍射分析了Zn