射频磁控溅射MgZnO合金薄膜结构和光学性能研究*1

张继德，马宏源，于　卓，董振江，辛春雨

(白城师范学院 物理学院，吉林 白城 137000)



射频磁控溅射MgZnO合金薄膜结构和光学性能研究*1

张继德，马宏源，于卓，董振江，辛春雨

(白城师范学院 物理学院，吉林 白城 137000)

摘要:采用射频磁控溅射技术在SiO2衬底上制备了MgZnO合金薄膜，分别用X-射线衍射仪、紫外-可见分光光度计、荧光光谱仪分析了薄膜的结构、吸收特性和光致发光特性随Mg组分改变的影响.研究结果显示：所有MgZnO合金薄膜均表现为六角钎锌矿结构，(002)衍射峰峰位随Mg组分的增加向大角度方向移动；所有薄膜在可见区吸收较小且存在微小波动，而在紫外区出现强烈的带边吸收，且随Mg浓度增加吸收边蓝移；所有薄膜均存在较强的紫外发射峰，随着Mg组分的增加，发射峰峰值存在明显的向短波长方向移动.

关键词:磁控溅射；MgZnO合金薄膜；结构；光学性能

近些年，由于商业市场对蓝紫光等短波长光学器件需求激增，使得II-VI族化合物半导体材料及其三元合金材料备受关注[1-2].宽禁带直接带隙半导体材料ZnO作为II-VI族新型光电子材料，室温下禁带宽度3.37eV，激子束缚能高达60meV，具有较好的电学和光学特性，而且无毒无害、性能稳定[3-6].由于半导体材料MgO的禁带宽度达7.8eV，Mg及其氧化物无毒无害，而且，ZnO和MgO的晶格常数相近，形成的MgZnO三元合金材料晶格失配小(0.1%)，禁带宽度在3.37～7.8eV范围内可调，具有与ZnO相似的性质[1,2,7].所以，采用调节Mg组分的方法制备MgZnO合金材料，可以改善ZnO材料的紫外光透过率，较好地调整带隙宽度，调制发光特性，使得该材料成为一种有前途的光电材料，在短波长发光器件制备方面有着潜在的广阔的应用前景.

制备MgZnO合金材料的方法有很多，如：脉冲激光沉积(PLD)[1]、金属有机化学气相沉积(MOCVD)[2]、溶胶-凝胶(Rol-gel)[7]、磁控溅射等[8]，其中，磁控溅射法具有操作方便、成本低廉、制膜技术成熟等优点被广泛应用[8,9].本文报道了利用射频磁控溅射技术在SiO2衬底上制备MgZnO合金薄膜的结构和光学性能受引入Mg的组分的影响.

1实验

采用JCP-350M2型高真空多靶磁控溅射仪，以SiO2作为基底材料制备MgZnO合金薄膜，实验中选用ZnO粉末和MgO粉末按一定比例混合后经研磨制成的陶瓷靶(纯度均为99.99%)作为溅射靶，靶材直径2英寸，靶到衬底的距离60mm,在Ar和O2按1:3比例混合气氛下进行薄膜沉积，Ar和O2气体纯度均为99.99%以上，系统的本底真空度优于4×10-4Pa,工作气压控制在1.0Pa,溅射功率100W，沉积时间2.5h.SiO2基片的洗涤工作分别在洗涤液、重铬酸洗液、丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗完成.在基片温度250℃下沉积MgZnO合金薄膜(Mg的组分分别为0%，5%，9%，17%)，所得样品均在500℃退火处理1h.

采用D/max2500型X射线衍射仪(XRD)(Cu Kαradiation(λ=0.1542nm)，管压/管流为40kV/100mA)对MgZnO合金薄膜的结构进行表征；吸收特性采用Cary-50型紫外-可见(UV-Vis)分光光度计(扫描速率600nm/min，扫描步长1nm)测试；发光特性由Traix320型荧光光谱仪，采用激发波长325nm的He-Cd激光器作为激发光源来完成.

2结果与分析

不同Mg组分MgZnO合金薄膜的结构特征由XRD进行评价，结果如图1所示，所有薄膜的X射线衍射谱均存在(100)、(002)、(101)三个衍射峰，我们重点关注了(002)一个衍射峰，如图1所示，随Mg组分的增加，(002)衍射峰峰位有规律的向大角度方向移动，Mg组分达17%(该组分小于0.37)也未见MgO的分离相，体现薄膜结构与理论研究[10]较符合.由此说明，Mg2+离子取代Zn2+离子位置进入ZnO的晶格中，但是晶体结构没有发生改变，仍保持六角钎锌矿结构.根据晶格衍射理论[5]，我们计算了Mg组分为17%与0%的MgZnO合金薄膜c轴长度比为0.993，这说明Mg2+取代Zn2+位置进入ZnO的晶格中，而Mg2+离子(0.057nm)半径小于Zn2+离子(0.074nm)半径，Mg2+离子取代Zn2+离子引起晶格常数变小.

图1　不同Mg组分MgZnO合金薄膜的X射线衍射谱

图2所示为MgZnO合金薄膜在室温下的吸收光谱，所有薄膜在可见区吸收较小，且存在微小波动，分析原因为薄膜界面干涉所致，在紫外区出现强烈的带边吸收，随Mg组分增加吸收边蓝移，说明Mg的引入增加加宽了薄膜的带隙宽度.

图2　不同Mg组分MgZnO合金薄膜的吸收光谱

对于直接带隙宽禁带半导体，吸收系数与光子能量之间满足:α(hv)=K(hv-Eg)1/2，变换可得A2=hv-Eg，其中，α为吸收系数，A为吸光度，hv为光子能量，Eg为半导体材料的禁带宽度.这样很容易看出，A2=0时，hv=Eg.所以，禁带宽度的计算，可根据A2∝hv的函数关系作图，将吸收边陡峭的线性部分外推到A2=0处，与X轴的交点即为相应带隙宽度值[11].由此，我们通过线性外推得到A2-hv曲线，如图3所示，并估算MgZnO合金薄膜的带隙宽度分别为3.321eV，3.385eV，3.423eV，3.496eV，这一结果说明，Mg的引入调制了薄膜的带隙宽度，由此也可以判断Mg2+已经进入ZnO晶格中.

图3　不同Mg组分MgZnO合金薄膜的吸收系数A2与

我们对所有MgZnO薄膜室温光致发光光谱进行了测量，进一步研究了不同Mg组分对薄膜光学性能的影响，如图4所示.所有薄膜均在紫外区出现一个较强的发光峰，随着Mg组分的增加，发射光谱峰值向短波长方向移动，其峰位分别对应0%:372.8nm，5%:366.6nm，9%:364.1nm，17%:354.9nm，分析该发光峰主要来源于带边激子跃迁.该结果与由图3吸收边线性外推结果较吻合.

图4　不同Mg组分MgZnO合金薄膜的光致发光光谱

3结论

采用射频磁控溅射技术在SiO2衬底上制备了MgZnO薄膜，具体研究了Mg组分对所有薄膜结构和光学性能的影响.X射线衍射谱结果表明，所有薄膜均表现为六角钎锌矿结构，结晶质量较好，随Mg组分的增加，(002)衍射峰峰位向大角度方向有规律的移动；UV-Vis结果表明，所有薄膜在可见区吸收较小且存在微小波动，而在紫外

区出现强烈的带边吸收，且随Mg浓度增加吸收边蓝移，说明Mg组分的增加加宽了薄膜的带隙宽度，通过吸收变线性外推，我们也得到了同样的结果；PL谱显示，所有薄膜均存在较强的紫外发光峰，随着Mg组分的增加，发射光谱峰值向短波长方向移动，该发光峰主要来源于带边激子跃迁.

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(责任编辑:王海波)

DOI:10.13877/j.cnki.cn22-1284.2016.04.011

*收稿日期：2016-01-20

基金项目：吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目“II族氧化物半导体纳米合金非线性光学性能研究”(2013499)

作者简介：张继德，吉林德惠人，讲师.

中图分类号：O47

文献标志码：A

文章编号：1008-7974(2016)02-0035-03