ZnO薄膜的主要性质
晶体结构
未经热处理的ZnO薄膜结晶度较低,呈非晶或多晶态,通常有点缺陷、线缺陷、层错和晶界等结构缺陷。这些缺陷对薄膜光电性质有显著影响,具体情况请参见真空技术网其它文章。离子束反应溅射ZnO薄膜沿c轴取向的主要影响因素是基片温度和溅射氧分压,发现基片温度350℃,氧分压为1.3的溅射条件下,得到了完全沿c轴取向生长的只有(002)晶面的ZnO薄膜。直流磁控溅射ZnO薄膜的晶粒择优取向较差时,晶界应力引起ZnO禁带宽度向长波方向移动。Sol-gel法制备的ZnO 薄膜,在500~700℃热退火后的X 射线衍射谱(图5)证实(002)晶面是择优取向生长的;不同衬底温度下喷雾热解法制备的ZnO薄膜的X射线衍射谱示于图6,(002)晶面取向程度随退火温度的升高而提高。
图5 Sol-gel 法制备的ZnO薄膜在500~700℃退火后的XRD曲线
图6 不同衬底温度下喷雾热解法制备的ZnO薄膜的XRD谱
光学性质
ZnO薄膜是理想的透明导电材料,可见光透射率可达90%,电阻率可低至10-4Ω·cm。AZO(ZnO:Al)薄膜透光率与退火条件有关,如磁控溅射AZO薄膜的透光率在450℃退火后达到最佳值,为90.6117%,优于ITO(In2O3:Sn)薄膜。Park等人制得透光率为91%、电阻率为10-5Ω·cm 的AZO薄膜;当Al的质量分数为2%时, 性能更优越。AZO膜机械稳定性高,无毒,逐渐成为ITO薄膜的替代材料。ZnO在紫外波段有受激发射的特点。1997年, Bagnall等人用MBE法制得具有自形成谐振腔结构的ZnO薄膜,并观察到室温下400nm附近的光泵浦紫外激光发射。图7是典型的ZnO薄膜室温光致发光谱(PL谱),除400nm附近的本征紫外峰外,还有520nm附近的黄绿光波段的展宽峰,这主要是由薄膜中的氧缺陷引起的。随激发电流密度的增加,黄绿光相对下降,紫外光相对增强,谱峰变窄,发生红移。随着退火温度升高,黄绿光辐射强度降低,紫外辐射强度增强。图8 是MOCVD- ZnO 在不同退火温度下的PL谱。
图7 不同激发电流密度下的PL谱
图8 MOCVD- ZnO 在不同退火温度下的PL谱
从图8 可见, 随退火温度的升高,ZnO近紫外发光先减弱,后增强,而绿光强度持续增强。一般认为,紫外光来源于激子带边发射,绿光发射则与ZnO表层中以O空位为主的深能级有关。ZnO在可见光波段的吸收和发射光谱可参见文献。
电学性质
未掺杂ZnO薄膜室温载流子浓度主要取决于充当浅施主的间隙Zn原子浓度。ZnO薄膜的p型掺杂是个备受关注的课题。Y.R.Ryu等人用PLD法在GaAs衬底上掺杂As制得p-ZnO,受主浓度为1017~1021cm-3,紧束缚带边发射峰分别在3.32 eV 和3.36 eV[17]。M. Joseph等人在400℃下用PLD 法进行Ga、N共掺杂实现p 型转变,以ZnO(ω(Ga2O3)=5%)为靶材,N2O 为N源,进行电子回旋共振活化,p-ZnO室温电阻率为0.5 Ω·cm,受主浓度为4×1019 cm-3。T.Aoki用准分子激光掺杂技术获得p-ZnO。
ZnO 薄膜的电学特性与制备方法及后续工艺条件有直接的依赖关系。电子束蒸发制备的Al掺杂ZnO薄膜的电子浓度在1019~1021cm-3,室温电阻率为10-4 Ω·cm。溅射法制备AZO薄膜的电学特性与溅射功率有很大关系。溅射功率越大,薄膜的质量越好,这主要是因为溅射功率的提高有助于薄膜缺陷的减少,增大晶粒尺寸,晶界的散射作用减轻,增大了载流子的平均自由程,从而使迁移率增大,薄膜的薄层电阻降低。反应溅射过程中,氧分压太低,薄膜的缺陷密度较高;氧分压太高,薄膜的电阻率上升很快,一般在1~2mPa比较合适。同样掺杂情况下,ZnO的施主浓度和受主浓度低于GaN,并且ZnO的杂质、点缺陷以及位错的浓度也低于GaN。ZnO主要有导带底以下30meV、60meV和340meV三个施主能级。间隙Zn原子是主要的浅施主,Vo是深能级施主。总之,在点缺陷和位错浓度低的情况下,ZnO薄膜有较好的电学性质。
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