ZnO薄膜的主要性質
晶體結構
未經熱處理的ZnO薄膜結晶度較低,呈非晶或多晶態,通常有點缺陷、線缺陷、層錯和晶界等結構缺陷。這些缺陷對薄膜光電性質有顯著影響,具體情況請參見真空技術網其它文章。離子束反應濺射ZnO薄膜沿c軸取向的主要影響因素是基片溫度和濺射氧分壓,發現基片溫度350℃,氧分壓為1.3的濺射條件下,得到了完全沿c軸取向生長的只有(002)晶面的ZnO薄膜。直流磁控濺射ZnO薄膜的晶粒擇優取向較差時,晶界應力引起ZnO禁帶寬度向長波方向移動。Sol-gel法制備的ZnO 薄膜,在500~700℃熱退火后的X 射線衍射譜(圖5)證實(002)晶面是擇優取向生長的;不同襯底溫度下噴霧熱解法制備的ZnO薄膜的X射線衍射譜示于圖6,(002)晶面取向程度隨退火溫度的升高而提高。
圖5 Sol-gel 法制備的ZnO薄膜在500~700℃退火后的XRD曲線
圖6 不同襯底溫度下噴霧熱解法制備的ZnO薄膜的XRD譜
光學性質
ZnO薄膜是理想的透明導電材料,可見光透射率可達90%,電阻率可低至10-4Ω·cm。AZO(ZnO:Al)薄膜透光率與退火條件有關,如磁控濺射AZO薄膜的透光率在450℃退火后達到最佳值,為90.6117%,優于ITO(In2O3:Sn)薄膜。Park等人制得透光率為91%、電阻率為10-5Ω·cm 的AZO薄膜;當Al的質量分數為2%時, 性能更優越。AZO膜機械穩定性高,無毒,逐漸成為ITO薄膜的替代材料。ZnO在紫外波段有受激發射的特點。1997年, Bagnall等人用MBE法制得具有自形成諧振腔結構的ZnO薄膜,并觀察到室溫下400nm附近的光泵浦紫外激光發射。圖7是典型的ZnO薄膜室溫光致發光譜(PL譜),除400nm附近的本征紫外峰外,還有520nm附近的黃綠光波段的展寬峰,這主要是由薄膜中的氧缺陷引起的。隨激發電流密度的增加,黃綠光相對下降,紫外光相對增強,譜峰變窄,發生紅移。隨著退火溫度升高,黃綠光輻射強度降低,紫外輻射強度增強。圖8 是MOCVD- ZnO 在不同退火溫度下的PL譜。
圖7 不同激發電流密度下的PL譜
圖8 MOCVD- ZnO 在不同退火溫度下的PL譜
從圖8 可見, 隨退火溫度的升高,ZnO近紫外發光先減弱,后增強,而綠光強度持續增強。一般認為,紫外光來源于激子帶邊發射,綠光發射則與ZnO表層中以O空位為主的深能級有關。ZnO在可見光波段的吸收和發射光譜可參見文獻。
電學性質
未摻雜ZnO薄膜室溫載流子濃度主要取決于充當淺施主的間隙Zn原子濃度。ZnO薄膜的p型摻雜是個備受關注的課題。Y.R.Ryu等人用PLD法在GaAs襯底上摻雜As制得p-ZnO,受主濃度為1017~1021cm-3,緊束縛帶邊發射峰分別在3.32 eV 和3.36 eV[17]。M. Joseph等人在400℃下用PLD 法進行Ga、N共摻雜實現p 型轉變,以ZnO(ω(Ga2O3)=5%)為靶材,N2O 為N源,進行電子回旋共振活化,p-ZnO室溫電阻率為0.5 Ω·cm,受主濃度為4×1019 cm-3。T.Aoki用準分子激光摻雜技術獲得p-ZnO。
ZnO 薄膜的電學特性與制備方法及后續工藝條件有直接的依賴關系。電子束蒸發制備的Al摻雜ZnO薄膜的電子濃度在1019~1021cm-3,室溫電阻率為10-4 Ω·cm。濺射法制備AZO薄膜的電學特性與濺射功率有很大關系。濺射功率越大,薄膜的質量越好,這主要是因為濺射功率的提高有助于薄膜缺陷的減少,增大晶粒尺寸,晶界的散射作用減輕,增大了載流子的平均自由程,從而使遷移率增大,薄膜的薄層電阻降低。反應濺射過程中,氧分壓太低,薄膜的缺陷密度較高;氧分壓太高,薄膜的電阻率上升很快,一般在1~2mPa比較合適。同樣摻雜情況下,ZnO的施主濃度和受主濃度低于GaN,并且ZnO的雜質、點缺陷以及位錯的濃度也低于GaN。ZnO主要有導帶底以下30meV、60meV和340meV三個施主能級。間隙Zn原子是主要的淺施主,Vo是深能級施主。總之,在點缺陷和位錯濃度低的情況下,ZnO薄膜有較好的電學性質。
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