第31卷 第6期
2008年12月
电子器件
ChineseJournalOfElectronDevices
Vol.31 No.6Dec.2008
StructureandOpticalPropertiesofZnOFilmsPreparedbySputtering3
GUITai2long
3
,ZHANGXiu2fang,WANGGang,LIANGDong
(AppliedScienceCollege,HarbinUnivSciTech,Harbin150080,China)
Abstract:C2axisuniquelyorientedZnOfilmswerepreparedbyDCmagnetronsputteringprocessonglasssubstrate.Theentiretransmittanceratewasbeyond85%whichwasmeasuredbygratingspectrograph.XRDandatomicforcemicroscopewereusedtoanalyzethesurfacemorphologyandfinetexture.After,thethinfilmwasannealedintheair,crystallizationtendedtobemorecomplete,texturetendedtobemorecompactandthecrystalgraingrowthwasfound.StrongUVphotoluminescence(PL)locatedat386nmandawidegreenPLlocatedat528nmwereobservedwhenZnOfilmswereexcitedbyfluorescencespec2trophotometeratroomtemperature.TheformerPLwasgeneratedduetoelectrontransitionfromconduc2tionbandtovalencebandandthelaterwasattributedtothepointdefects.Keywords:ZnOthinfilm;DCmagnetronsputtering;transmittancerate;PLspectraEEACC:0520
溅射法制备ZnO薄膜结构及光学特性3
桂太龙3,张秀芳,汪 钢,梁 栋
(哈尔滨理工大学应用科学学院,哈尔滨150080)
摘 要:采用直流磁控溅射镀膜工艺在玻璃基片上沉积了具有良好c轴择优取向的ZnO薄膜。用组合式多功能光栅光谱仪
测得透光率均在85%以上;用XRD分析了退火前后薄膜的物相,并用原子力显微镜分析了薄膜的表面形貌。样品通过空气中退火,薄膜结晶质量明显提高,晶粒有所长大,取向更加一致。在室温下用荧光分光光度计分析了薄膜的发光特性,观测到明显的紫外光发射(波长为386nm)和波峰为528nm的一“绿带”宽峰。紫外发射是由于导带和价带之间的电子跃迁,宽峰是源于晶体的缺陷。
关键词:ZnO薄膜;直流磁控溅射镀膜;透光率;光致发光中图分类号:TN304.2
文献标识码:A 文章编号:100529490(2008)0621720203
3.2eV,可以发蓝光或紫外光,并且电子从价带到导
ZnO是一种Ⅱ2Ⅵ族半导体,可广泛应用于各
种领域,如ZnO陶瓷,绘画和催化剂等。ZnO也可制成透明导电薄膜,应用于太阳能电池,液晶显示以及窗体显示。近些年,ZnO透明导电薄膜受到广泛关注,成为研究的热点。ZnO有许多其他材料所没有的优点,如成本低、无毒副作用、高禁带宽度、易掺杂(如可掺入Al、B等降低电阻率,提高结晶质量等)以及热循环后优良的稳定性等。另外,ZnO还可以用于光发射器件中。由于ZnO的禁带宽度为
带是直接跃迁,其发光效率也会比较高。同时C轴取向较好的ZnO,具有很好的压电性能,因而被广泛应用于表面声波器件中,可作为产生和检测表面声波的材料[1]。
ZnO薄膜的制备方法很多,常见的有磁控溅射法[2]、化学气相沉积[3]、溶胶2凝胶法[4]、脉冲激光沉积[5]、喷雾热分解[627]等。其中溅射法沉积具有成膜均匀、致密,且制备工艺简单,成本低等优点。本文
收稿日期:2008206203
基金项目:黑龙江省自然科技基金资助(E2004205);黑龙江省教育厅科技项目资助(11511091)作者简介:桂太龙(19522),男,教授,从事光电功能材料与器件的研究,guitl1952@yahoo.com.cn;
张秀芳(19842),女,哈尔滨理工大学硕士研究生
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第6期桂太龙,张秀芳等:溅射法制备ZnO薄膜结构及光学特性1721
采用直流磁控溅射方法制备了ZnO透明薄膜。
1 实验
1.1 ZnO薄膜的制备
本实验在国产OLED多功能多元镀膜系统中,采用直流溅射制备ZnO透明薄膜。采用的ZnO靶材为北京合纵天瑞科技开发中心产品,纯度为99.99%,靶直径100mm,厚度6mm。基片为生物
玻璃,规格为25.5mm×75.5mm×1mm。
玻璃基片首先用丙酮,乙醇及纯净水分别进行超声波清洗10min。然后在真空干燥箱中烘干。溅射靶材置于距基片距离6cm,溅射功率为60W。在氩气的工作环境下进行溅射,在溅射过程中,衬底基座保持匀速旋转。1.2 ZnO薄膜的测试
用日本产D/max2rB型X射线衍射仪(Cu Kα
辐射波长0.15418nm)测得所制备ZnO薄膜的XRD谱,并由NanoScopeⅢ型原子力显微镜测得图2 退火后ZnO薄膜的XRD谱
34.30°,半高宽(FWHM)减小至0.312°。利用Scherrer公式D=
λ0.9(λθ其中D是晶粒尺寸,是Bcos
X射线波长,B是衍射峰半高宽,θ是衍射峰峰位)
计算晶粒尺寸。退火前后晶粒大小分别为19.82nm和26.69nm。这表明ZnO薄膜经过退火,(002)择优取向更加明显,c轴取向更加一致,晶粒有所长大。2.1.2 退火处理对形貌结构的影响图3和图4分别为ZnO薄膜退火前后的三维原子力显微镜照片。
其表面形貌。薄膜的透光率由WGD23型组合式多功能光栅光谱仪测量(波长范围为380nm2780nm的紫外2可见区域),并采用日立的F24500型荧光分光光度计测试薄膜的发光特性。
2 实验与结果分析
2.1 空气中退火处理对ZnO薄膜晶体结构的影响
我们将制备好的ZnO薄膜样品切割成两份,其中一份在空气的气氛下400℃退火10min,另一份不退火。2.1.1 退火处理对结晶程度的影响
图1和图2分别为ZnO薄膜退火前后的XRD结果。
图3 退火前ZnO薄膜的AFM表面形貌
图4 退火后ZnO薄膜的AFM表面形貌
图1 退火前ZnO薄膜的XRD谱
从图3和图4可以看出退火后的样品和退火前
直接沉积的样品相比,颗粒的生长分布更一致,尺寸也相对较大,说明退火处理的过程中,薄膜中的原子得到较高的能量,发生迁移,呈现再结晶的过程,从而使薄膜的致密性和均匀性得到了改善。这与上面XRD得到的结果一致。2.2 ZnO薄膜的带隙宽度
θ=对退火前的样品,其衍射谱上出现处于2
33.60°的(002)峰,其半高宽(FWHM)为0.421°。图中没有观察到其他的峰,表明ZnO薄膜是c轴择优取向生长的。当样品经过400℃退火10min后,
θ=其(002)峰的强度明显增加,衍射角后移,2
为了估算所制备薄膜带隙的大小,我们在相同
镀膜条件下控制镀膜时间的方法制备了不同厚度的ZnO样品(样品制备时间分别为10min,20min,30
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1722电 子 器 件第31卷
min)。所制备的ZnO薄膜都具有高的可见光透光
的宽峰存在,一般称之为“绿带”,是由ZnO晶体中缺陷和杂质造成的。
率。图5给出了三种不同镀膜时间的样品透射谱,
由图看出在可见光范围内透过率均超过85%。根
ν)=A(hν-据透射与吸收的关系,可由公式α(h
2
ν的关系曲线(α为吸收系数,hν为Eg)2得到α与h
13 结论
用直流磁控溅射法在生物玻璃衬底上制备出的
ZnO薄膜,具有良好的c轴择优取向,样品经过空气中退火处理后,薄膜的结晶质量得到改善,取向性提高,晶化程度趋于完整,晶粒尺寸增大,薄膜结构比较均匀致密。薄膜的透光率高于85%,并估算带隙宽度约为3.15eV。在室温下,观测到强的紫外发射峰和弱的绿峰,并且发射峰的强度随激发光强度增加而增加。参考文献:
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ν轴相交,其交光子能量),延长曲线的直线部分与h
点既是带隙宽度Eg。本实验所制备薄膜的带隙宽
度约为3.15eV。
图5 不同镀膜时间ZnO薄膜的透射谱ZnOFilmsPreparedbyDCReactiveMagnetronSputtering[J].ChineseJournalofSemiconductors,2001,22:101521020.[3] PuricaM,BudianuE,etal.OpticalandStructuralInvestigation
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2.3 ZnO薄膜的发光特性ZnO主要有三个光致发光峰带[8,9]:380nm左
右的紫外带边发射峰,510nm左右的绿色发射和650nm左右的红色发射。普遍认为绿色发射和红
色发射与ZnO晶格中的O空位和填隙Zn离子有
关[10211]。样品在紫外区的发射占主导地位,表明带间跃迁占主导地位。
图6是所制备ZnO薄膜在不同激发波长下的光致发光谱。图中a的激发光波长为325nm,b的激发光波长为442nm。
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图6 ZnO薄膜在不同激发光下的PL谱
在386nm处有一强的紫外发射峰,并且发射
峰的强度与激发光波长有一定的依赖关系,随激发光波长的减小强度明显增加,即随激发光强度增加而增加。除此之外,在波长为528nm处有一明显
究[J].发光学报,2002,23(6):32391.
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