不同氧压下脉冲激光沉积ＺｎＯ薄膜的研究

吕　珂

摘要:本文采用脉冲激光，在Si(001)衬底上生长ZnO薄膜，利用X射线衍射（XRD），原子力显微镜（AFM）等测试手段研究了不同氧气压力所生长的ZnO薄膜结构特征。研究表明：氧压不同制备的ZnO薄膜质量也不同。在不同的氧气压力下（0Pa～50 Pa）生长ZnO薄膜，XRD表明10Pa的氧压时有较强的(002)衍射峰和较小的半高宽。

关键词:ZnO薄膜；脉冲激光沉积

1引言

近年来，短波长发光器件在信息存储，全彩色显示，照明，光催化，医疗和检测设备等方面有着越来越广泛的应用。而半导体发光器件具有体积小，寿命长，能耗少，以及可以集成，安全方便等特点，具有很大的应用优势。因此研制高效率的短波长半导体发光器件一直是世界各国研究人员努力的目标。在发光材料选择上，早期人们努力的目标是SiC和ZnSe，但经过几十年研究，到现在仍然没有达到实用水平。1990年代初期，GaN异军突起，连续取得突破，并很快走向实用[1]。但是由于GaN生长温度过高、对设备要求苛刻从而使GaN器件成本大大提高。因此人们从未停止过寻找新的发光材料，期望研制出性能更优、成本更低的短波长发光器件。其中ZnO就是备选替代材料中的佼佼者。

氧化锌（ZnO）是一种直接带隙宽禁带（3.37eV）Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，具有较大的激子束缚能（60meV）,可以在室温下实现紫外光的受激发射和全色显示，是继GaN之后在半导体光电领域又一研究热点。

ZnO薄膜的制作方法很多，主要有磁控溅射法（magnetron sputtering）[2]、溶胶凝胶法（sol-gel）[3]、喷雾热解法（spay pyrolysis）[4]、分子束外延（MBE）、脉冲激光沉积（PLD）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、原子层外延生长法（ALE）等。脉冲激光沉积是近年来发展起来的先进的薄膜生长技术，它是在高真空背景下用高能激光烧蚀ZnO靶材生成蒸发物沉积在加热衬底上生长晶体薄膜的。

本文采用脉冲激光沉积方法在Si(001)衬底上生长ZnO薄膜，讨论了不同氧压的生长条件对ZnO薄膜结构的影响；用XRD对薄膜的结晶质量进行分析；用AFM对薄膜的表面形貌进行表征；

2实验

本文采用脉冲激光沉积系统制备ZnO薄膜，纯度为99.999%的ZnO靶作为溅射靶源，靶直径为30mm，厚度为1.5mm。衬底为单面抛光的（001）硅片，Si(001)衬底用甲苯、丙酮、乙醇依次进行标准超声清洗，然后用HF酸浸泡几分钟，最后用去离子水冲洗干净后，实验中装入沉积装置，激光源是一个波长为248nm的KrF准分子激光器。实验时，激光的重复频率都设定为3Hz，脉冲能量为220mJ/pulse，靶到衬底的距离是4cm，激光束聚焦到光斑大约为2mm²，为了获得均匀膜层，在沉积时旋转衬底，沉积ZnO薄膜前，先将背景真空预抽到5×10-4Pa真空度，再加热Si衬底，当衬底加温到所需温度时，充入高纯氧气（99.999%）。生长ZnO薄膜时，将激光束聚焦到高纯ZnO（99.999%）烧结靶上，生长时间都是2小时。氧压变化时，衬底温度为600℃，退火温度为650℃，氧压分别是0、1、5、10、20、50 Pa。继而研究沉积气压对所沉积ZnO薄膜质量的影响。并且使用X射线衍射（Cu, Kɑ入射2θ扫描）分析不同ZnO薄膜的结晶特性；利用原子力显微镜（AFM）分析了不同ZnO薄膜的表面特性。

3结果与讨论

3.1氧压对ZnO薄膜结构特性的影响

图（1）是600℃衬底温度下，退火温度为650℃，分别在0Pa、10Pa和50Pa时生长的ZnO薄膜的XRD曲线。除了50Pa的薄膜曲线有些粗糙之外，所有的薄膜都具有尖锐的（002）峰和平滑的曲线，说明薄膜具有较高的质量和高度c轴取向的，氧压增加到50Pa时薄膜质量有所下降。

从表1可以看到50Pa的ZnO薄膜的（002）峰的半高宽要比其他压强稍微宽点，也说明薄膜的质量有所下降，这与XRD曲线一致。这可能的原因是高氧压条件下氧分子会阻碍ZnO束流顺利地到达样品表面。

3.2氧压对ZnO薄膜表面结构的影响

氧气压力对氧化锌薄膜表面结构的影响如图(2)所示，氧气压力分别为1Pa、10Pa、20Pa。从图中可以看出在低的氧气压力条件下形成的氧化锌薄膜组织比较细小，在原子力显微镜下看不出明显的晶界如图2(a)。随着氧气压力增加，晶粒尺寸增大如图(b)，(c)。这是因为在低氧压的条件下，激光烧蚀靶表面所溅射的离子体与氧原子碰撞几率较低，因此沉积速率较快，晶核长大时间短导致晶粒细小。而在高氧压的条件下，激光烧蚀靶表面所溅射的离子体与氧原子碰撞几率较大，因此沉积速率慢，晶核有足够的时间长大，最后导致晶粒粗大[5]。

4结论

利用脉冲激光沉积技术，在不同的氧气压力下（0Pa～50 Pa）生长ZnO薄膜。研究结果表明：随着氧气压力的增大，衍射峰变强，晶粒尺寸变大，但到50Pa时(002)衍射峰变弱，FWHM变大。从晶体质量评价，10Pa氧压生长的ZnO薄膜质量较好。

参考文献：

[1]S.Nakamura,The Blue Laser Diode[M],Springer-verlag,93,356 (2000).

[2]UTHANNA S,SUBRAMANYAM T K,SRINIVASULU N,et al.Stru

cture-composition-propert.y dependence in reactive magnetron sputte-red ZNO thin films[J].Opto.Mater.,2002,19(4):461-469.

[3]LEE Jin-Hong, KO Kyung-Hee,PARK Byung-Ok. Electrical and Optical properties of ZnO transparent conducting films by the sol-gel method[J].J.Cryst.Growth,2003,247(1-2):119-125.

[4]LEE Y, KIM H, ROH Y. Deposition of ZnO thin films by the ultrasonic spray pyrolysis technique [J].Jpn..J.Appl.phys.,2001,40(4A):2423-2428.

[5]X.T.ZULUNhang,Y.C. Liu, Z.Z.Zhi,J.Y. Zhang,Y.M. Lu, W.Xu, D.Z. Shen,High intense UV-luminescence of nanocrystalline ZnO thin films prepared by thermal oxidation of ZnS thin films[J].Journal of Crystal Growth 2002;240:463-466.