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多晶氧化锌薄膜的制备和结构、电学、光学特性研究

作　者: 龚恒翔
导　师: 王印月
学　校: 兰州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 特性研究多晶电学溅射靶氧化锌薄膜工作气体高纯度最佳制备条件衬底温度研究者
分类号: O484
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

多晶氧化锌(ZnO)薄膜是一种多功能宽带隙氧化物半导体薄膜材料,它可以作为透明导电薄膜、压电薄膜、光电子器件、气敏和湿敏器件而具有广泛的应用前景,已经引起了越来越多研究者的关注。本论文主要工作是多晶ZnO薄膜的制备和结构、电学、光学特性研究。采用射频反应溅射法,以高纯度O2和Ar 为溅射工作气体,成功地在不同衬底材料上制备得到了高质量的多晶ZnO 薄膜。溅射靶采用高纯度金属锌是本研究工作的特点,与大多数研究者采用的ZnO 陶瓷靶相比,金属靶具有不易污染和制作成本低的特点。创造性地通过Al 与Zn 复合靶成功地共溅射制备得到Al 掺杂多晶ZnO 薄膜是本研究工作的另一特点,采用这种方法通过改变复合溅射靶上高纯度Al 块的数目可以方便地调整Al 掺杂剂量。系统地研究了沉积条件对多晶ZnO 薄膜结构的影响。通过分析衬底温度、溅射工作气体组分、溅射功率和衬底位置对样品结构的影响,得到了样品最佳制备条件:衬底温度400℃、溅射功率120W、溅射工作气体中O2分压比40%。最佳制备条件下样品具有高度的透明性(优于86%,波长3000?~11000?)和(002)方向取向性,(002)衍射峰半高宽仅仅0.2deg,薄膜堆积密度高达97%。原子力显微镜(AFM)分析表明薄膜具有密集堆积的均匀柱状晶粒,X 射线光电子谱证明了薄膜中杂质Al 的存在,Al 掺杂多晶ZnO 薄膜最低电阻率达到10-4Ωcm 数量级。同时也关注了存在于薄膜中(002)晶面的压应力,发现此应力随着衬底温度升高而单调减小。观察到溅射靶表面存在环形过度氧化区域,分析认为此区域的存在是等离子体中O 原子和O-离子分布的不均匀性造成的,它是材料结构、电学和光学特性随衬底位置不同而变化的根本原因。

全文目录

论文摘要(中、英文)  3-9
第一章绪言  9-19
  1.1 氧化锌(ZnO)研究历史回顾  9-10
  1.2 氧化锌的性质和用途  10-13
  1.3 当前氧化锌材料研究面临的问题  13-14
  1.4 本论文研究工作简介  14-16
  参考文献  16-19
第二章多晶ZnO薄膜的实验室制备研究  19-36
  2.1 ZnO 薄膜的制备方法  19-27
  2.2 ZnO 薄膜制备方法比较  27-29
  2.3 本研究薄膜制备设备概况  29-31
  2.4 多晶ZnO 薄膜的制备条件  31-32
  2.5 本章小结  32-33
  参考文献  33-36
第三章多晶ZnO薄膜的结构特性研究  36-71
  3.1 ZnO 晶体结构和缺陷  36-41
  3.2 薄膜生长基础理论  41-44
  3.3 测试分析方法介绍  44-50
  3.4 沉积条件对多晶ZnO 薄膜结构的影响  50-67
  3.5 本章小结  67-68
  参考文献  68-71
第四章多晶ZnO薄膜的电学特性研究  71-101
  4.1 多晶ZnO 薄膜中的电学缺陷  71-76
  4.2 多晶半导体材料的导电机制  76-82
  4.3 多晶ZnO 薄膜电学特性的测量方法与设备  82-87
  4.4 多晶ZnO 薄膜电学特性测试结果分析  87-97
  4.5 本章小结  97-98
  参考文献  98-101
第五章多晶ZnO薄膜的光学特性研究  101-123
  5.1 基本理论  101-108
  5.2 薄膜折射率测试原理与仪器  108-111
  5.3 多晶ZnO 薄膜折射率和可见光波段透过率谱的分析  111-117
  5.4 透明导电薄膜材料比较  117-119
  5.5 本章小结  119-120
  参考文献  120-123
致谢  123-124
附录  124-125

多晶氧化锌薄膜的制备和结构、电学、光学特性研究

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