ZnO及其掺杂薄膜结构与性质研究

氧化锌（ZnO）是一种新型直接宽带隙半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能为60meV，有优良的物理和化学性质，在平板显示器、太阳能电池、紫外探测器和透明导电薄膜等领域有广泛的应用前景。尽管人们已对ZnO薄膜进行了研究，并取得了一些有价值的研究成果，但目前ZnO薄膜的质量没有达到实用化要求，因此制备高质量的ZnO薄膜是目前研究的一个重要方向。脉冲激光沉积（PLD）法是一种有效的方法。ZnO优异的光电性能被广泛研究的同时，在ZnO基质中掺入外来的离子从而改变ZnO结构性能更是拓宽了ZnO潜在的应用领域。作为一种重要的红光发光中心，稀土Eu3+近年来被广泛关注。稀土Eu3+掺杂ZnO的研究引起了人们的兴趣，但基于PLD法制备的稀土Eu3+掺杂ZnO研究很少。ZnO基器件大多选用Au、Ag、Pt及ITO等比较昂贵的电极，考虑到铜良好的导电性、较强的抗电迁移性能和较低的成本，我们尝试用铜作电极得到了MSM结构的Cu/ZnO接触。本文研究的主要内容包括以下几个方面：1.利用PLD技术在S（i111）衬底上生长了ZnO薄膜，通过XRD测试和光致发光（PL）谱分析研究了衬底温度、氧流量和缓冲层对样品的结构和发光性能的影响。XRD研究结果表明，所有样品仅出现ZnO（002）衍射峰，说明样品具有很好的c轴择优取向。随着衬底温度的升高，衍射峰半高宽（FWHM）先减小后增加，当衬底温度为300℃时，FWHM最小，结晶质量最好。当氧流量较小时，结晶质量较差。随着氧流量的增加，衍射峰强度增大，FWHM减小；氧流量为10sccm时，衍射峰最强，FWHM最小；当氧流量继续增加，半高宽增大，结晶质量变差。随着缓冲层厚度的增加，外延层的结晶质量逐步提高，当脉冲个数为1000时，FWHM最小。但是当缓冲层厚度继续增加时，ZnO外延层结晶质量变差。PL谱研究表明，当用350nm的光激发样品时，样品呈现三个发光带，分别是位于380nm左右的紫外发射、440－480nm范围的蓝光发射和位于600nm左右的橙黄发射。PL谱测试结果表明，制备条件对样品发光强度影响较大。随着衬底温度从室温增加到300℃，样品的发光强度逐渐增加，但当温度升高到400℃时，发光强度又降低。发光强度随氧流量的变化规律与随衬底温度的变化规律相似，当氧流量为10sccm时样品发光最强。研究还发现，有缓冲层时样品的发光明显增强，当缓冲层脉冲个数为1000时样品发光增强，和真空中生长的样品相比，外延层在有氧气氛中制备的样品发光较强。通过CIE标准色度学对样品的色度表征结果表明，所有样品均呈现白光发射，在白光LED荧光粉方面有潜在的应用前景。2.利用PLD技术在Si(111)衬底上制备了ZnO:Eu3+,Li+薄膜，分别研究了生长氧压、退火气氛和退火温度对样品结构和发光性质的影响。XRD谱研究表明，所有样品均仅出现ZnO基质的（002）衍射峰，说明Eu3+已进入ZnO基质晶格，没有单独形成结晶氧化物。随着氧压的增加， FWHM先减小后增加，氧压为0.3Pa时达到最小。随着氧压的增大，晶面间距逐渐减小，但由于Eu3+进入了ZnO晶格，薄膜晶面间距均大于ZnO材料的标准值。和真空中退火的样品相比，氧气气氛中退火的样品的FWHM较小，薄膜结晶质量较好。在真空中退火时，当退火温度为550℃时样品衍射峰强度最大，FWHM最小，结晶质量最好。PL谱研究表明：（1）对于不同氧压下生长的样品，当用325nm的光激发时，所有样品的发光主要由ZnO基质的紫外发射和绿光发射组成，并没有出现稀土Eu3+的特征发射峰。随着氧压的变化，峰位变化较小，发光强度变化较大。当用395nm的光激发样品时，在613nm处出现明显的Eu3+电偶极（5D0→7F2）跃迁发光峰，随着氧压的增加，Eu3+的特征发光峰明显增强。（2）对于退火的样品，用395nm的光激发样品时，光谱中没有出现Eu3+位于613nm的特征发光峰，这表明退火处理不利于Eu3+的电偶极（5D0→7F2）跃迁，而且随着退火温度的增加并没有改变这一现象。本研究为实现基于Eu3+、Li+共掺杂的ZnO材料的应用进行了有意义的探索。3.利用PLD法在Si (111)衬底上分别生长了ZnO薄膜和Cu薄膜，用Cu薄膜作电极，研究了ZnO薄膜与Cu薄膜的接触特性。分别用X射线衍射仪、扫描电子显微镜（SEM）和I-V测试的方法对样品的晶体质量、结构和电学性质进行了分析。结果表明，样品中ZnO薄膜和Cu薄膜均具有高度的择优取向；退火前Cu薄膜表面不均匀，晶粒不明显，结晶质量较差；退火后，有明显的晶粒出现，晶粒均匀致密，Cu薄膜结晶质量得到明显改善。当Cu和ZnO直接接触时，样品的I-V特性是非线性的；当Cu和ZnO之间通过ZnO:Cu层间接接触时形成良好的欧姆接触，而且退火后欧姆接触性能明显提高，电阻率降低约2/3。本研究为价格低廉的Cu电极成为ZnO基器件的欧姆电极提供了一定的依据。