射频磁控溅射法制备ZnO薄膜课件.ppt

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1、射频磁控溅射法制备ZnO薄膜研究衬底温度对其结构和发光特性的影响ZnO半导体材料的简介ZnO薄膜的制备方法ZnO薄膜的表征ZnO半导体材料的简介一、ZnO结构和性质ZnO是一种面向21世纪的新型高功能精细无机产品，在自然界中储量丰富，具有较高的化学、机械稳定性以及优异的光学、电学特性，是一种常见的金属氧化物。粉末形态的ZnO俗称“锌白”，为白色粉末，无臭无味，无生物毒性，加热后呈浅黄色，密度5.676g/cm3，熔点为1975℃，微溶于水，溶于酸生成相应的盐。ZnO是一种自激活n型半导体材料，具有六角纤锌矿晶体结构，室温下其直接带隙宽度3.2-3.4eV，晶格常数为a=0.3249nm，c=

2、0.5207nm。图1ZnO的晶体结构图图2ZnO的晶面图结构在纤锌矿ZnO晶体中，锌(Zn)、氧(O)各自组成一个六角密堆积结构的子格子，这两个子格子可形成复式格子结构。每个Zn原子和最近邻的四个O原子构成一个四面体结构，同样，每个O原子和最近邻的四个Zn原子也构成一个四面体结构。不过，每个原子周围都不是严格四面体对称的，在c轴方向上，Zn原子与一个O原子之间的距离为0.196nm，与其它三个原子之间的距离稍微小一些。此外，由于Zn和O的电负性差别较大，Zn—O键基本上是极性的。(1)ZnO具有高达60meV的室温激子束缚能。高的激子束缚能对于制作室温紫外LED(light-emittin

3、gdiode)和LD(LaserDisc)器件极为有利，可以极大地降低发光器件的阐值并提高器件的温度稳定性和发光效率。这使得ZnO在制作高亮度的紫外LED和白光照明方面具有更大的优势。特性（2）具有良好的化学及热稳定性。ZnO的熔点高达2248K，其化学稳定性的内聚能Ecoh为1.89eV。高的化学和热稳定性可以使器件在室温甚至更高温度运转时不至于造成缺陷的大量增殖，延长其使用寿命。(3)同GaN相比，ZnO具有更低的外延生长温度。ZnO的生长温度一般为300—600℃，而GaN的生长温度则为1200—1500℃。相对较低的生长温度可以减小热失配缺陷，降低异质外延层间的互扩散，有利于形成陡峭

4、的异质结。各种压电、压光、电声与声光器件气敏元件太阳能光电转换领域中的异质结光电显示领域中的透明电极二、ZnO薄膜的应用三、ZnO薄膜的研究进展HangJuKo等人利用分子束外延(MBE)方法制备了高质量的ZnO薄膜；Zhang等人利用分子束外延方法在Al2O3上制备了ZnO的发光二极管；Su等人利用等离子体协助分子束外延(P-MBE)方法制备了ZnO/ZnMgO单量子阱，结合理论计算所得在导带和价带中的第一亚带能量分别是49meV和11meV；Chang等人利用分子束外延生长n-ZnO，而利用金属有机化学气相沉积p-GaN，发现n-ZnO/p-GaN异质结具有发光二极管特性；Gangil等

5、人利用等离子增强的MOCVD在Al2O3上制备出了N掺杂p型ZnO薄膜，载流子浓度范围为1013~1015cm-3，电阻率为10-1~102Ωcm。傅立叶红外光谱和拉曼光谱证实了N已经掺入到ZnO中，I-V结果显示他们还制备出了ZnO的同质p-n结。Dietl等人的理论计算预言了Mn掺杂的p型ZnO的居里温度高达300K以上，并且有较大的磁化强度；Wang等人利用等离子激光分子束外延制备出了N掺杂p型ZnO薄膜；1998年Tang等人报道了ZnO薄膜的室温紫外受激发射现象，ZnO薄膜很快成为继ZnSe和GaN之后新的短波长半导体材料的研究热点。到目前为止，纯ZnO的研究已经在慢慢的走向完善与

6、成熟。近年内，利用掺杂对ZnO进行改性，使其光学、电学、磁学等特性逐步优化的ZnO基纳米薄膜材料的研究正在进行。在掺杂ZnO的光学改性方面的研究，例如，中国科学技术大学傅竹西教授的研究小组发现Ag掺杂可导致ZnO薄膜的紫外发射显著增强；新加坡南洋理工大学Li等人制备了核壳层结构ZnO/Er2O3纳米棒；该结构的光致发光较纯ZnO显著增强；A.P.Abiyasa等人研究发现Ag包覆ZnO薄膜的紫外激发得到增强；Jiang等人研究发现Ge掺杂也使得ZnO薄膜的紫外激发得到增强。在掺杂ZnO的磁学改性方面的研究，T.Fukumura等人研究了Mn掺杂ZnO稀磁半导体，在低温下观察到了相当大的磁阻以

7、及电阻对温度的依赖性几乎与金属相比拟；Sato等人指出，ZnO中掺入Mn，Fe，Co，Ni等3d过渡金属原子将显示铁磁有序。ZnO薄膜的制备方法磁控溅射法﹡﹡化学气相沉积法(CVD)分子束外延发溶胶-凝胶法脉冲激光沉积法喷雾热分解法magnetronsputtering﹡﹡ChemicalVaporDepositionCVDMoleculeBeamExtensionMBESol-gelPulsedLaserD