镓掺杂氧化锌薄膜的制备及结构研究.doc

傢掺杂氧化锌薄膜的制备及结构研究摘要氧化锌（ZnO）是一种宽禁带半导体#具有较 高的激子结合能（60meV ）和良好的透明导电、压电、 光电、气敏及压敏特性，且易于与多种半导体材料实 现集成化，在透明导体、发光器件、太阳能电池窗口、 声表面波器件和场发射显示器等领域具有广泛应用本论文采用脉冲激光沉积技术在单晶硅衬底上制备了c轴择优取向的锈掺杂氧化锌（GadopedZnO fGZO） 薄膜 通过X射线衍射（XRD >原子力显微镜（AFM> 扫描电子显微镜（SEM）和光致发光谱（PL）,对制备 薄膜进行了表征分析，研究表明衬底温度和氧压对GZO薄膜表面形貌、晶体质量、微观结构和光学性能具有较大影响,获得了 GZO薄膜（002）晶面c轴择 优取向生长的工艺参数研究表明，在较高的衬底温 度（600oC ）和合适的氧气压力（13Pa）下沉积的GZO 薄膜具有（002）择优取向，晶粒大小比较均匀，结晶 质量较好，且具有较高的紫外光发射强度10282关键词ZnO薄膜铮掺杂脉冲激光沉积微观结构表面形貌光学性能毕业设计说明书(论文)外文摘要TitleThe study of preparation and microstructure of Ga doped Z nO thin filmsAbstractZnO film is a semiconductor with a wide direct band gap, which has the large excition binding energy (60meV) and many excellent properties such as high transparence, conductivity, piezoelectricity, optical absorption and emission, gas-sensitivity, and voltage-sensitivity. Due to its excellent physical and chemical properties and the ability to integrate with a variety of semiconductor materials, ZnO film has a wide variety of applications such as transparent electrodes, light emitting diodes, window materials for solar cells, surface acoustic wave devices, field emission displays etc. In the paper, Ga doped ZnO (GZO) films with c-axis growth structure were deposited by pulse laser deposition on Si substrates, and were characterized by X-ray diffraction(X RD^atomic force microscope(AFM)fscanning electron microscope (SE M)and photoluminescence spectra(PL).The influences of substrate temperature and oxygen pressure on the surface morphology, crystal quality, microstructure and optical properties of the deposited GZO films were studied, and the growth parameters of GZO films with (002) orientation were obtained. The results show that the GZO films have (002) preferred orientation and their crystal sizes are relatively uniform, more uniform grain size, good crystalline quality, and have higher UV emission intensity when deposited at higher substrate temperature (600°C) and lower oxygen pressure (13Pa)・薄膜材料必然涉及了一个很广的范围,而且随着制 备技术的不断改进，各种新型薄膜也不断出现，其中 很重要的一个分支就是半导体薄膜。

因为半导体薄膜 在集成电路、光导电膜、场效应晶体管、高效太阳能 电池、薄膜传感器及掺杂的导电膜等领域有着广泛的 应用而最近几年，作为宽禁带半导体材料的氧化锌 （ZnO）薄膜越来越引起了人们的兴趣因为短波长 光电子材料和器件一直是人们关注的焦点，它对于提 高光通信的带宽和光信息的记录密度有非常重要的作 用因此1995年GaN蓝光材料兴起时就引起了学术 界广泛重视,1997年后，人们发现ZnO薄膜具有紫 外受激发射的本领，很快成为继GaN之后新的短波长 半导体材料的研究热点同时ZnO薄膜可以实现p 型和n型掺杂，改变薄膜的导电特性，使得该材料应 用于生产实际成为可能透明导电氧化物（TCO ）薄膜在光电子器件，如平 板显示器，发光二极管，激光二极管，太阳能电池， 透明薄膜晶体管，光学探测器等应用上具有重大意义 锢锡氧化物（ITO ）由于其高导电性和在可见光波段 的良好的光传导性，成为目前广泛使用的一种TCO 然而，由于自然资源储量少，成本高，限制了其使用, 因此我们迫切需要寻求一种替代的TCO材料，其相对 便宜且透光性能和电导率与ITO相似ZnO基TCO 已被恰当地提出作为ITO潜在的替代品，因为锌是价 格相对低廉，自然储量大，并显示出与ITO相似的优 异的光学和电学性能。

氧化锌（ZnO ）是一个多功能 金属氧化物半导体，具有直接宽能隙（在室温下， E g= 3.37 eV ）,高达60 meV激子结合能和4.35 eV的电 子亲和力，表明其属于n型导电性它具有独特的结 构，光学，电学，化学，耐辐射等特性［1］这些属性 可以通过与各种离子掺杂而显著改变尤其是HI族B 元素稼，铝和锢已在ZnO中掺杂，以提高其电学性 能，这在透明导电涂料中是非常有用的应用AI-0 , Ga-0和Zn-0的键长分别为2.70A , 1.92 A和1.97人 这表明，在HI族B元素中，在氧化锌中Ga是一个很 好的n型掺杂元素，预计其相比AI掺杂将产生更小的 晶格应变［2］o表1.1纤锌矿性ZnO晶体的基本特性（300K ）性质（单位）ZnO晶体结构纤锌矿结构晶格常数(nm) a= 0.3250b= 0.5205密度（g/cm3） 5.675熔点（K ） 2250键能（J/mol） 284.1禁带宽度（eV ） 3.37 （ 2K , 3.437 ）激子束缚能（nneV ） 60电子有效质量（m0 ） //C : me=0.28 m0 ; C :me=0.24m0空穴有效质量（mO） 0.5电子/空穴迁移率（cm2/V s）200（电子）/5~50（空穴）介电常数 8.1 (EC); 9.0(E//C)折射常数n2压电常数 d33(pm/V) 11.9声速(103m/s) //C : 6.0961 ; C : 6.0776热导率(W/cmK ) 0.6热膨胀系数(10-6/K ) //c 轴:3.02 , 4.75 , c轴:6.51比热(J/gk )0.494在ZnO晶体结构中，Zn2+离子半径为0.024 nm , 02■半径为0.036 nm f Zn-0键长1.9915埃r每个Zn原子与4个0原子构成四面体排布，晶体中负离子配 位多面体为Zn-04四面体，四面体的底面与C(0001 ) 面平行，四面体的顶角正对向C (000 )面。

很明显， Zn原子在C轴方向不是对称分布的，其分布偏向于 (0001 )面 f 远离(000 )面ZnO晶体不仅具有稳定的化学性质和物理性质，由 于Z nO具有典型的纤锌矿六方晶体结构，因此它也是 一种常见的压电晶体由于Zn和0的电负性差异，纤 锌矿ZnO既具有共价键晶体的特征也具有离子晶体 的特征实际的ZnO晶体中总是存在非理想化学计量 比点缺陷，因此未掺杂ZnO晶体是典型的弱n型氧化 物半导体1.2ZnO薄膜的光电特性早在三十年前，人们就发现了电子束泵浦ZnO体材 料低温受激辐射，但由于其辐射的强度随温度升高而 迅速衰减，故限制了该材料的使用价值ZnO薄膜是 一种理想的透明导电薄膜，可见光透射率高达90% ,电阻率可低至10- 4

132其他光的发光机制除了蓝•绿光的发射外ZnO薄膜紫外光的发射也是 人们关注的焦点然而不同于蓝-绿光的是，紫外光的 发光机理得到了人们的共识,即：紫外光源于带边激 子的复合［10］『其发光强度取决于薄膜的结晶质量、化 学配比,结晶质量好的薄膜发射紫外光的强度高此 外，在研究ZnO薄膜发光的过程中人们发现Z no还可发射红光、橙光、黄光和紫光对于这些谱带的解 释为：ZnO红光和橙光与富氧的ZnO结构、或与沉 积过程中形成的自然缺陷相关黄光的发射与过剩的 氧形成的氧间隙、或者与一种ZnO的配比结构［11］有 关紫光来自于晶界产生的辐射缺陷能级与价带之间 的跃迁1.4ZnO的Ga掺杂掺杂ZnO薄膜的研究很早就引起了人们的注意，掺 杂可使ZnO薄膜材料的晶体结构，电学，光学，磁学性能以及气敏湿敏性能发生相应改变，因而可用于不 同的技术领域ZnO是一种极性半导体，天然为n型，通过掺杂施 主元素，ZnO的电导率可以提高几个数量级，是一种 典型的TCO材料ZnO可供选择的施主掺杂元素很 多，包括HI族元素、IV族元素、V B族元素、VI族元 素和VII族元素，最为常用的为Al、Ga. In等DI族元素， 特别是AI元素。

HI族元素掺杂ZnO，取代Zn的位置, 形成浅施主能级，贡献出一个电子Al、Ga和In在 ZnO中的离化能分别为15.1 meV、16.1 meV和19.2 meV ,施主结合能分别为51.55 meV、54.6 meV和63.2 meVo与Al掺杂相比，Ga的活性较弱，Ga掺杂是不容易 生成Ga2O3相，可以获得更高的载流子浓度例外， Ga的原子半径（0.126 nm）与Zn的原子半径（0.135 nm） 接近，GhO 键（0.192 nm）与 Zn-0 键（0.197 nm）键 长也相差不多，Ga掺杂可以降低薄膜因高掺杂浓度引 起的晶格畸变，从而改善薄膜的晶体质量基于这些 考虑，GZO （稼掺杂氧化锌）薄膜近年来也开展了较 多的研究但是与AZO相比,GZO由于Ga是一种 贵重稀有金属,因而价格较贵，这是限制GZO实际 应用的一个重要因素研究表明，GZO透明导电薄膜 的电学性能，如电阻率、迁。