磁控溅射法氧化锌薄膜的制备和光学性能研究.pdf

西北大学硕士论文摘要紫外波段激光器在信息显示和信息存储方面，具有存储密度高，反应速度快 等特点，特别是在海底探测、紫外通讯、光存储、诊断防伪及检测分析仪器等方 面重要的应用前景。氧化锌作为一种宽带隙半导体，能带宽度为337eV,激子 束缚能高达60meV,在室温下容易获得强的激子发射，可能成为紫外激光的重 要材料；在紫外光发光二极管、激光器和探测器上的重要应用价值。因此，氧化 锌的研究已成为继GaN之后宽带隙半导体研究的又一热点。本文利用射频磁控 溅射法在玻璃衬底上制备了高质量ZnO薄膜，并对其结构和发光性能进行了研 究，主要内容如下：L通过XRD.衍射谱分析了溅射功率、衬底温度、氧氮气体流量比、工作气 压对薄膜晶粒大小，取向性等结构的影响；采用控制变量法，依次改变各主要参 数，找出制备结构缺陷密度小、薄膜晶粒取向性好的薄膜的参数。在较低功率、较低温度下，获得了高度C轴择优取向的ZnO薄膜。2.通过对室温光致发光谱（PL谱）的研究，分析了溅射功率、衬底温度、氧负气体流量比、工作气压等主要工艺参数对薄膜紫外发光及可见光发射的影 响；并结合薄膜晶粒大小、取向等结构特点，分析了薄膜结构和发光性能之间的 关系。3.结合制备条件和室温发光谱分析影响ZnO薄膜紫外光发射的条件，根据 ZnO缺陷能级理论，分析紫外光发射的机理及如何优化薄膜紫外发光性能，并对 可见光发射机制进行了讨论。关键词：ZnO薄膜；磁控溅射；紫外发射；室温光致发光；激子发射磁控溅射法ZnO薄膜的制备和光学性能研究Research on ZnO film preparation and its optical property using radio frequency magnetron sputteringABSTRCTThe ultraviolet wave band laser has the characteristics of high storage density and high reaction rate on information display and data storage,which also play a crucial role in application of undersea detection ultraviolet communication optical storagex diagnosis for anticounterfeiting and detecting analytical instrument,showing bright application prospect.Zinc Oxide,as a wide-band-gap semiconductor,with 3.37eV energy-band width and exciton binding energy as high as 60meV,could obtain strong excitoiiic emission,may become key material of ultraviolet laser,which display an important practical value in ultraviolet-emitting diode laser and detector,so study on Zinc Oxide will be another hotspot following wide-gap semiconductor.Using radio frequency magnetron sputtering,this paper performs research on preparation for high-quality ZnO structure and luminescent properties,specific contents as follows：LBy means ofXRD diffraction spectra,sputtering power、substrate temperature、argon-oxygen gas flow ratio relation between working pressure and grain size and prefened orientation were analyzed;By the method of controlling variable,main parameters were changed in turn to find excellent film parameters with traits such as lower defect density、film grain fabulous orientation.And ZnO film with preferred orientation in high degree C-axle was obtained under relatively low temperature and relatively lower power.2,By luminescence(PL)of Room Temperature Photoluminescence,the effect s of sputtering power、substrate temperature%argon-oxygen gas flow ratio、and pressure on film ultraviolet luminescence and visible light was analyzed.Combined with analysis on structural characteristics of film grain size and orientation,the connection between membrane structure and luminescent properties was studied.3.Combined with preparation conditions and room temperature Photoluminescence spectrum the conditions that affect ZnO film ultraviolet emission were obtained.By the theory of ZnO defect energy level theory,the mechanism of ultraviolet emission and visible light emission,optimization on film ultraviolet luminescence were discussed.Key words：Zinc Oxide film,radio frequency magnetron sputtering ultraviolet Emission,Photoluminescence,exciton emissionn西北大学硕士论文第一章绪论1.1引言近年来，以计算机和网络为标志的信息技术正迅猛发展，半导体激光器作为 信息传递和存储的关键部件日益引起人们的关注。而对于信息存储我们所关心的 是写入密度和读取速度，我们都知道光盘的存储密度反比于激光的波长，并且波 长越短读取速度越快，因此为了改进信息存储和提高读取速度，寻找宽禁带半导 体材料、制备短波长发光器件就成了人们不懈的努力和追求。对于这方面的工作 其发展速度特别快，短短三十年中激光器已经更新了三代取得了巨大的进步。第一代是波长是780nm的半导体激光器，第二代是670-690纳米的III-V族 化合物AlGalnP/hiGaP半导体激光器；使得光盘存储密度大大增强；第三代是以 GaN为代表的宽带蓝光半导体激光器正在逐渐取代AlGalnP/InGaP半导体激光 器，使光盘信息存储密度更进一步的增加。每一步的发展都极大的促进了信息技 术的发展。当前GaN蓝光半导体激光器正在逐步走向商品化，然而事物的发展 是没有止境的，人们开始寻找和研究发射波长更短的材料，现在普遍认为H-VI 化合物ZnO是一种实现紫外激光二极管的重要材料。早在1991年美国3M公司首先实现了 H-VI族ZnSe基量子阱激光器的77K 下脉冲工作，在国际上引起轰动1,以后美国的Brown-Purdue大学联合研究组 荷兰Philips公司和日本Sonny公司等先后实现了激光器的室温连续工作，到1996 年时Sonny公司以ZnSe/ZnCdSe为量子阱ZnMgSSe为限制层的II-VI族蓝绿激 光器室温连续工作寿命达到100小时，但是ZnSe基激光器的发展速度特别慢，并不象人们预期的那样迅速，其工作寿命从一小时提高的到一百小时整整用了五 年的时间，而进一步的提高难度更大。其主要原因在于ZnSe是一种离子性很强 的晶体，它很软、极易产生损伤；在受激发射时容易因温度的升高引起缺陷的大 量增殖。ZnSe材料的这种固有的缺陷，使得人们认为它不适合制备蓝绿激光器,特别是1995年以后随着GaN蓝光二极管和激光二极管的出现，H-VI族ZnSe 体系逐渐受到了冷落。GaN是一种比较理想的激光材料，现在GaN蓝光二极管和激光二极管已经西北大学硕士论文第一章绪论1.1 引言近年来，以计算机和网络为标志的信息技术正迅猛发展，半导体激光器作为 信息传递和存储的关键部件日益引起人们的关注。而对于信息存储我们所关心的 是写入密度和读取速度，我们都知道光盘的存储密度反比于激光的波长，并且波 长越短读取速度越快，因此为了改进信息存储和提高读取速度，寻找宽禁带半导 体材料、制备短波长发光器件就成了人们不懈的努力和追求。对于这方面的工作 其发展速度特别快，短短三十年中激光器已经更新了三代取得了巨大的进步。第一代是波长是780nm的半导体激光器，第二代是670-690纳米的III-V族 化合物AlGalnP/hiGaP半导体激光器；使得光盘存储密度大大增强；第三代是以 GaN为代表的宽带蓝光半导体激光器正在逐渐取代AlGalnP/InGaP半导体激光 器，使光盘信息存储密度更进一步的增加。每一步的发展都极大的促进了信息技 术的发展。当前GaN蓝光半导体激光器正在逐步走向商品化，然而事物的发展 是没有止境的，人们开始寻找和研究发射波长更短的材料，现在普遍认为H-VI 化合物ZnO是一种实现紫外激光二极管的重要材料。早在1991年美国3M公司首先实现了 H-VI族ZnSe基量子阱激光器的77K 下脉冲工作，在国际上引起轰动1,以后美国的Brown-Purdue大学联合研究组 荷兰Philips公司和日本Sonny公司等先后实现了激光器的室温连续工作，到1996 年时Sonny公司以ZnSe/ZnCdSe为量子阱ZnMgSSe为限制层的II-VI族蓝绿激 光器室温连续工作寿命达到100小时，但是ZnSe基激光器的发展速度特别慢，并不象人们预期的那样迅速，其工作寿命从一小时提高的到一百小时整整用了五 年的时间，而进一步的提高难度更大。其主要原因在于ZnSe是一种离子性很强 的晶体，它很软、极易产生损伤；在受激发射时容易因温度的升高引起缺陷的大 量增殖。ZnSe材料的这种固有的缺陷，使得人们认为它不适合制备蓝绿激光器,特别是1995年以后随着GaN蓝光二极管和激光二极管的出现，H-VI族ZnSe 体系逐渐受到了冷落。GaN是一种比较理想的激光材料，现在GaN蓝光二极管和激光二极管已经磁控溅射法ZnO薄膜的制备和光学性能研究实现了商品化，然而GaN材料仍有其自身的缺点，如需要先进的制造设备、制 备温度高、薄膜生长难度大。氧化锌和氮化铁相比许多性质是相似的特点，如晶 体结构晶格常数、禁带宽度并且很容易成膜；很多方法都可以制备出高质量的氧 化锌薄膜。此外氧化锌对衬底要求不高，在一些非晶衬底上也能质量非常好的薄 膜；其制备温度相对于铁氮材料来说也要低很多。另外氧化锌的激子束缚能大，大约60meV,在室温下可以存在，易于实现激射。Robert在Science上高度评价了 氧化锌的紫外激射现象认为这是一项重要的工作，它将开辟一个新的研究方向 臼。如果用于信息存储其存储密度要比GaN管大很多，这将极大的促进信息领 域的发展，因而有人氧化锌将可能成为第四代激光器材料。1.2 ZnO薄膜基本性质 O Zn图1.1 ZnO的纤锌结构ZnO晶体为六方纤锌矿结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度 为3.37eV,晶格常数a=0.325nm,c=0.521nm，晶体结构如图i.L ZnO的激子 结合能达60meV,这比同是宽禁带材料的ZnSe(20meV)和GaN(28meV)都高出 许多，如此高的激子束缚能使得室温下激子不易被热激发，从而大大提高了 ZnO 材料的激发发射性能，降低了室温下的激发阀值。ZnO在3皿左1，能量下激子增2磁控溅射法ZnO薄膜的制备和光学性能研究实现了商品化，然而GaN材料仍有其自身的缺点，如需要先进的制造设备、制 备温度高、薄膜生长难度大。氧化锌和氮化铁相比许多性质是相似的特点，如晶 体结构晶格常数、禁带宽度并且很容易成膜；很多方法都可以制备出高质量的氧 化锌薄膜。此外氧化锌对衬底要求不高，在一些非晶衬底上也能质量非常好的薄 膜；其制备温度相对于铁氮材料来说也要低很多。另外氧化锌的激子束缚能大，大约60meV,在室温下可以存在，易于实现激射。Robert在Science上高度评价了 氧化锌的紫外激射现象认为这是一项重要的工作，它将开辟一个新的研究方向 臼。如果用于信息存储其存储密度要比GaN管大很多，这将极大的促进信息领 域的发展，因而有人氧化锌将可能成为第四代激光器材料。1.2 ZnO薄膜基本性质 O Zn图1.1 ZnO的纤锌结构ZnO晶体为六方纤锌矿结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度 为3.37eV,晶格常数a=0.325nm,c=0.521nm，晶体结构如图i.L ZnO的激子 结合能达60meV,这比同是宽禁带材料的ZnSe(20meV)和GaN(28meV)都高出 许多，如此高的激子束缚能使得室温下激子不易被热激发，从而大大提高了 ZnO 材料的激发发射性能，降低了室温下的激发阀值。ZnO在3皿左1，能量下激子增2西北大学硕士论文益为300/cm,高于同条件下的GaN激子增益（约100/cm），而且，ZnO以激子 复合代替电子一空穴对的复合，在较低的阀值下便可产生受激发射，且激发温度 较高可达到550c网，在LDs领域显示出很大的开发应用潜力。ZnO的熔点为1975,具有很高的热稳定性和化学稳定性，ZnO薄膜可以在低于500温度下获得,较GaN,SiC和其它ILVI族半导体宽禁带材料的制备温度低很多。这些特点使 ZnO具备了作为室温短波长光电子材料的必备特征。ZnO薄膜天然存在着锌间 隙与氧空位Q为极性半导体，呈n型。优质的ZnO薄膜具有c轴择优生长，图 1.2为本实验室利用磁控溅射法制得的C轴取向ZnO薄膜的三维AFM形貌图。1000 00 x 1000.00 nmj Z 0.00-18.85 nm图1.2磁控溅射制备的ZnO薄膜的表面形貌1.2.1 ZnO薄膜的光电特性早在三十年前，人们就发现了电子束泵浦ZnO体材料低温受激辐射叫 但由 于其辐射的强度随温度升高而迅速衰减，故限制了该材料的使用价值。自1997 年以来，日本东北大学材料研究所的Bagnali等人也 美国西北大学材料研究中 心的Cao等人叫 香港科技大学的Zu等人川先后报道了 ZnO薄膜材料的受激 发光现象，重新激发了人们对ZnO薄膜发光特性研究的热情。ZnO薄膜是一种 理想的透明导电薄膜，可见光透射率高达90%,电阻率可低至10“Q cm。ZnO在 紫外波段存在着受激发射是其显著优点。1997年，D.MBagnanWJ和 P.Zu,ZKTan胪等人用分子束外延法，得到具有自形成谐振腔结构的ZnO薄膜,并首次观察到室温下400nm附近的光泵浦紫外激光发射。3西北大学硕士论文益为300/cm,高于同条件下的GaN激子增益（约100/cm），而且，ZnO以激子 复合代替电子一空穴对的复合，在较低的阀值下便可产生受激发射，且激发温度 较高可达到550c网，在LDs领域显示出很大的开发应用潜力。ZnO的熔点为1975,具有很高的热稳定性和化学稳定性，ZnO薄膜可以在低于500温度下获得,较GaN,SiC和其它ILVI族半导体宽禁带材料的制备温度低很多。这些特点使 ZnO具备了作为室温短波长光电子材料的必备特征。ZnO薄膜天然存在着锌间 隙与氧空位Q为极性半导体，呈n型。优质的ZnO薄膜具有c轴择优生长，图 1.2为本实验室利用磁控溅射法制得的C轴取向ZnO薄膜的三维AFM形貌图。1000 00 x 1000.00 nmj Z 0.00-18.85 nm图1.2磁控溅射制备的ZnO薄膜的表面形貌1.2.1 ZnO薄膜的光电特性早在三十年前，人们就发现了电子束泵浦ZnO体材料低温受激辐射叫 但由 于其辐射的强度随温度升高而迅速衰减，故限制了该材料的使用价值。自1997 年以来，日本东北大学材料研究所的Bagnali等人也 美国西北大学材料研究中 心的Cao等人叫 香港科技大学的Zu等人川先后报道了 ZnO薄膜材料的受激 发光现象，重新激发了人们对ZnO薄膜发光特性研究的热情。ZnO薄膜是一种 理想的透明导电薄膜，可见光透射率高达90%,电阻率可低至10“Q cm。ZnO在 紫外波段存在着受激发射是其显著优点。1997年，D.MBagnanWJ和 P.Zu,ZKTan胪等人用分子束外延法，得到具有自形成谐振腔结构的ZnO薄膜,并首次观察到室温下400nm附近的光泵浦紫外激光发射。3磁控溅射法ZnO薄膜的制备和光学性能研究1.2.2 ZnO薄膜的压电性质高密度、定向生长的ZnO薄膜具有良好的压电性质，如高机电藕合系数和 低介电常数。Zayer等人口旬的研究表明，利用射频磁控溅射法在200七的Si基片 上沉积的C轴择优取向的ZnO薄膜具有很好的压电性，其在0.9GHz附近的高 频区表现出很好的压电转换效应及低嵌入损耗(4.9dB)等特征，是制备高频纤维声 光器件如声光调制器等压电转换器材料。1.2.3 ZnO薄膜的压敏和气敏性质ZnO薄膜的压敏性质主要表现在非线性伏安特性上。ZnO压敏材料受外加 压力作用时，存在一个阀值电压，即压敏电压。当外加电压高于该值时即进入击 穿区，此时电压的微小变化会引起电流的迅速增大，变化幅度由非线性系数(a)来表征。这一特征使ZnO压敏材料在各种电路的过流保护方面己得到了广泛的 应用。贾瑞等四利用Sobgel喷雾热分解法制备了 Bi2O3,MnO掺杂的ZnO薄膜，膜厚为3.25um-8.41um,压敏电压为13.5825.31V,非线性系数(a)值为7.99 22.38。ZnO薄膜还是一种气敏材料，掺杂某些元素之后对有害气体、可燃性气 体、有机蒸汽等具有很好的敏感性，可制成各种气敏传感器。1.3 ZnO薄膜的应用由于ZnO薄膜良好的压电和光电性质，因此在以下几个方面有着很好的应 用前景：1.3.1 ZnO发光管和激光器目前，短波长发光管和激光器具有巨大的潜在市场，而ZnO的禁带宽度决 定了其带边发光正好处于该波段，因此ZnO材料在紫外波段将会有一定的作为。在1996年，P.Yu首先报道了 ZnO薄膜的光泵浦紫外激射，使人们看到了 ZnO 电泵浦激光器的光明前景。1998年报道了 ZnO薄膜的两种自形成谐振腔理论，2001年Science又报道了利用ZnO量子线制作的世界上尺寸最小的光泵浦激光 器，同年日本报道了采用PLD方法生长出PZnO,载流子浓度达 并成功制作了 ZnO同质结LED。以上的这些研究成果，使人们看到了 ZnO发光 管和电泵浦激光器的光明发展前景。而且ZnCdO和ZnMgO等三元系材料薄膜4磁控溅射法ZnO薄膜的制备和光学性能研究1.2.2 ZnO薄膜的压电性质高密度、定向生长的ZnO薄膜具有良好的压电性质，如高机电藕合系数和 低介电常数。Zayer等人口旬的研究表明，利用射频磁控溅射法在200七的Si基片 上沉积的C轴择优取向的ZnO薄膜具有很好的压电性，其在0.9GHz附近的高 频区表现出很好的压电转换效应及低嵌入损耗(4.9dB)等特征，是制备高频纤维声 光器件如声光调制器等压电转换器材料。1.2.3 ZnO薄膜的压敏和气敏性质ZnO薄膜的压敏性质主要表现在非线性伏安特性上。ZnO压敏材料受外加 压力作用时，存在一个阀值电压，即压敏电压。当外加电压高于该值时即进入击 穿区，此时电压的微小变化会引起电流的迅速增大，变化幅度由非线性系数(a)来表征。这一特征使ZnO压敏材料在各种电路的过流保护方面己得到了广泛的 应用。贾瑞等四利用Sobgel喷雾热分解法制备了 Bi2O3,MnO掺杂的ZnO薄膜，膜厚为3.25um-8.41um,压敏电压为13.5825.31V,非线性系数(a)值为7.99 22.38。ZnO薄膜还是一种气敏材料，掺杂某些元素之后对有害气体、可燃性气 体、有机蒸汽等具有很好的敏感性，可制成各种气敏传感器。1.3 ZnO薄膜的应用由于ZnO薄膜良好的压电和光电性质，因此在以下几个方面有着很好的应 用前景：1.3.1 ZnO发光管和激光器目前，短波长发光管和激光器具有巨大的潜在市场，而ZnO的禁带宽度决 定了其带边发光正好处于该波段，因此ZnO材料在紫外波段将会有一定的作为。在1996年，P.Yu首先报道了 ZnO薄膜的光泵浦紫外激射，使人们看到了 ZnO 电泵浦激光器的光明前景。1998年报道了 ZnO薄膜的两种自形成谐振腔理论，2001年Science又报道了利用ZnO量子线制作的世界上尺寸最小的光泵浦激光 器，同年日本报道了采用PLD方法生长出PZnO,载流子浓度达 并成功制作了 ZnO同质结LED。以上的这些研究成果，使人们看到了 ZnO发光 管和电泵浦激光器的光明发展前景。而且ZnCdO和ZnMgO等三元系材料薄膜 4西北大学硕士论文的生长已经将ZnO系材料的禁带宽度扩展到3.0eV-4.0eV,已可覆盖一定的波段。我们认为，ZnO发光管和激光器是ZnO进一步发展的中心目标。1.3.2太阳能电池ZnO薄膜，尤其是(AZO)ZnO:Al薄膜，是极好的透明电极材料，具有优异 的透明导电性能。在可见光波长范围内的透射率可达90%以上，可与ITOQCh：SnCh)膜相比。而且相对ITO膜，AZO膜，无毒性，价廉易得，稳定性高(特别 是在氢等离子体中)，正逐步成为ITO薄膜的替代材料，在显示器和太阳能电池 等领域得到应用。ZnO薄膜主要是作为透明电极和窗口材料用于太阳能电池，ZnO受到高能粒子辐射损伤较小，因此特别适合于太空中使用.Croenen等人 利用扩展热等离子束技术制得ZnO:Al薄膜(p10-3Qm,T80%),用于无定形非晶.硅太阳能电池，其效率为7.7%。1.3.3 紫外光探测器利用ZnO的宽禁带和高光电导特性，可制作紫外光探测器。早期的研究表 明ZnO的光反应包括快速和慢速两个过程：电子空穴对的产生过程及氧吸收和 光解吸过程。对玻璃衬底上沉积的ZnO的研究表明，后者起主要作用回。h.Fabricius等人利用溅射的ZnO薄膜制作出上升时间和下降时间分别为20us和30 us的光探测器口，而Ying L等人利用MOVCD生长的ZnO薄膜制作出上升时间 和下降时间分别为lus和L5us的MSM紫外光探测器口叱 大大提高了器件的质 量。1.3.4 光电器件单片集成用ZnO在400nm-2um甚至更长的波长范围内都是透明的，加之所具有的电光 和压电等效应，成为集成光电器件中一种极具潜力的材料。采用Si等半导体晶 片作衬底，在其上生长ZnO薄膜材料，可提供一种将电学、光学、以及声学器 件进行单片集成的途径，而这些正是一般所应用的LiNbCh声光器件所缺少的。这种集成方法还具有其它许多常规材料所无法比拟的优越性，如可以利用成熟的 Si平面工艺将光源、探测器、调制器、光波导及相关电路等进行单片集成，适用 于大规模、低成本地生产小型化、高稳定性的光电集成电路。1.3.5 表面声波器件ZnO薄膜作为一种压电材料,它以其所具有较高的机电耦合系数和低介电常西北大学硕士论文的生长已经将ZnO系材料的禁带宽度扩展到3.0eV-4.0eV,已可覆盖一定的波段。我们认为，ZnO发光管和激光器是ZnO进一步发展的中心目标。1.3.2太阳能电池ZnO薄膜，尤其是(AZO)ZnO:Al薄膜，是极好的透明电极材料，具有优异 的透明导电性能。在可见光波长范围内的透射率可达90%以上，可与ITOQCh：SnCh)膜相比。而且相对ITO膜，AZO膜，无毒性，价廉易得，稳定性高(特别 是在氢等离子体中)，正逐步成为ITO薄膜的替代材料，在显示器和太阳能电池 等领域得到应用。ZnO薄膜主要是作为透明电极和窗口材料用于太阳能电池，ZnO受到高能粒子辐射损伤较小，因此特别适合于太空中使用.Croenen等人 利用扩展热等离子束技术制得ZnO:Al薄膜(p10-3Qm,T80%),用于无定形非晶.硅太阳能电池，其效率为7.7%。1.3.3 紫外光探测器利用ZnO的宽禁带和高光电导特性，可制作紫外光探测器。早期的研究表 明ZnO的光反应包括快速和慢速两个过程：电子空穴对的产生过程及氧吸收和 光解吸过程。对玻璃衬底上沉积的ZnO的研究表明，后者起主要作用回。h.Fabricius等人利用溅射的ZnO薄膜制作出上升时间和下降时间分别为20us和30 us的光探测器口，而Ying L等人利用MOVCD生长的ZnO薄膜制作出上升时间 和下降时间分别为lus和L5us的MSM紫外光探测器口叱 大大提高了器件的质 量。1.3.4 光电器件单片集成用ZnO在400nm-2um甚至更长的波长范围内都是透明的，加之所具有的电光 和压电等效应，成为集成光电器件中一种极具潜力的材料。采用Si等半导体晶 片作衬底，在其上生长ZnO薄膜材料，可提供一种将电学、光学、以及声学器 件进行单片集成的途径，而这些正是一般所应用的LiNbCh声光器件所缺少的。这种集成方法还具有其它许多常规材料所无法比拟的优越性，如可以利用成熟的 Si平面工艺将光源、探测器、调制器、光波导及相关电路等进行单片集成，适用 于大规模、低成本地生产小型化、高稳定性的光电集成电路。1.3.5 表面声波器件ZnO薄膜作为一种压电材料,它以其所具有较高的机电耦合系数和低介电常西北大学硕士论文的生长已经将ZnO系材料的禁带宽度扩展到3.0eV-4.0eV,已可覆盖一定的波段。我们认为，ZnO发光管和激光器是ZnO进一步发展的中心目标。1.3.2太阳能电池ZnO薄膜，尤其是(AZO)ZnO:Al薄膜，是极好的透明电极材料，具有优异 的透明导电性能。在可见光波长范围内的透射率可达90%以上，可与ITOQCh：SnCh)膜相比。而且相对ITO膜，AZO膜，无毒性，价廉易得，稳定性高(特别 是在氢等离子体中)，正逐步成为ITO薄膜的替代材料，在显示器和太阳能电池 等领域得到应用。ZnO薄膜主要是作为透明电极和窗口材料用于太阳能电池，ZnO受到高能粒子辐射损伤较小，因此特别适合于太空中使用.Croenen等人 利用扩展热等离子束技术制得ZnO:Al薄膜(p10-3Qm,T80%),用于无定形非晶.硅太阳能电池，其效率为7.7%。1.3.3 紫外光探测器利用ZnO的宽禁带和高光电导特性，可制作紫外光探测器。早期的研究表 明ZnO的光反应包括快速和慢速两个过程：电子空穴对的产生过程及氧吸收和 光解吸过程。对玻璃衬底上沉积的ZnO的研究表明，后者起主要作用回。h.Fabricius等人利用溅射的ZnO薄膜制作出上升时间和下降时间分别为20us和30 us的光探测器口，而Ying L等人利用MOVCD生长的ZnO薄膜制作出上升时间 和下降时间分别为lus和L5us的MSM紫外光探测器口叱 大大提高了器件的质 量。1.3.4 光电器件单片集成用ZnO在400nm-2um甚至更长的波长范围内都是透明的，加之所具有的电光 和压电等效应，成为集成光电器件中一种极具潜力的材料。采用Si等半导体晶 片作衬底，在其上生长ZnO薄膜材料，可提供一种将电学、光学、以及声学器 件进行单片集成的途径，而这些正是一般所应用的LiNbCh声光器件所缺少的。这种集成方法还具有其它许多常规材料所无法比拟的优越性，如可以利用成熟的 Si平面工艺将光源、探测器、调制器、光波导及相关电路等进行单片集成，适用 于大规模、低成本地生产小型化、高稳定性的光电集成电路。1.3.5 表面声波器件ZnO薄膜作为一种压电材料,它以其所具有较高的机电耦合系数和低介电常磁控溅射法ZnO薄膜的制备和光学性能研究数，使其在超声换能器、Bragg偏转器、频谱分析器、高频滤波器、高速光开关 及微机械上有相当广泛的用途。这些器件在大存量、高速率光纤通信的波分复用、光纤相位调制、反雷达动态测频、电子侦听、卫星移动通信、并行光信息处理等 民用及军事领域的应用也非常广泛。随着通信技术的通信频率向高频发展，在高 于LSGHZ的频率范围内，具有低损耗的高频滤波器成为移动通信系统的最关键 部件之一。而ZnO薄膜是制作这种高频表面声波器件的首选材料。此外，ZnO薄膜还被广泛地用于制作压敏器件、气敏传感器、红外和紫外的 阻挡层等。ZnO薄膜以其性能多样、应用广泛和价格低廉等突出优势，又因其制 备方法多样、工艺相对简单、易于掺杂改性与硅IC兼容，有利于现代光电器件 的集成化，代表着现代材料的发展方向，是一种在高新技术领域及广阔的民用和 军事领域极具发展潜力的薄膜材料。1.4 ZnO薄膜的研究现状1.4.1 薄膜制备的研究进展2001年，衣立新等人口9】用电子束蒸发的方法制备了氧化锌薄膜，用XRD测 得结构为六角晶系结构，并具有（002）择优取向。可是由于在用电子束蒸发的 过程中，ZnO会失氧，因此生长成的薄膜是富锌型的ZnO薄膜。同年8月，叶 志镇等人加用直流反应磁控溅射法在硅衬底上沉积了 C轴择优取向的ZnO晶体 薄膜。在衬底温度为350c时薄膜的取向性有了很大的提高。此时ZnO薄膜的（002）峰半高宽仅为0.34.质量得到了明显的提高。不久，林碧霞等人叫也 是采用直流反应磁控溅射法在温度为300的硅基片上沉积了 ZnO薄膜，并且对 生成的薄膜进行热处理，在一个大气压氧气氛下，900c热退火lh得到氧缺陷较 少的ZnO薄膜。2002年，王金忠等人1冽采用等离子体金属有机物化学气相沉积 的方法在蓝宝石衬底上生长了 ZnO薄膜并对其实施未退火，最后退火，分段退 火处理。在分段退火样品的XRD谱中只出现ZnO的（002）和微弱的ZnO（004）二次衍射峰，而且（002）峰的半高宽仅为0.30。，这表明退火使薄膜C轴取向增 强，薄膜的质量大幅度提高。王玉玺等人用低压金属有机外延工艺首先在二氧 化硅衬底上生长硫化锌薄膜，然后将硫化锌薄膜在氧气中于不同温度下进行热氧 6磁控溅射法ZnO薄膜的制备和光学性能研究数，使其在超声换能器、Bragg偏转器、频谱分析器、高频滤波器、高速光开关 及微机械上有相当广泛的用途。这些器件在大存量、高速率光纤通信的波分复用、光纤相位调制、反雷达动态测频、电子侦听、卫星移动通信、并行光信息处理等 民用及军事领域的应用也非常广泛。随着通信技术的通信频率向高频发展，在高 于LSGHZ的频率范围内，具有低损耗的高频滤波器成为移动通信系统的最关键 部件之一。而ZnO薄膜是制作这种高频表面声波器件的首选材料。此外，ZnO薄膜还被广泛地用于制作压敏器件、气敏传感器、红外和紫外的 阻挡层等。ZnO薄膜以其性能多样、应用广泛和价格低廉等突出优势，又因其制 备方法多样、工艺相对简单、易于掺杂改性与硅IC兼容，有利于现代光电器件 的集成化，代表着现代材料的发展方向，是一种在高新技术领域及广阔的民用和 军事领域极具发展潜力的薄膜材料。1.4 ZnO薄膜的研究现状1.4.1 薄膜制备的研究进展2001年，衣立新等人口9】用电子束蒸发的方法制备了氧化锌薄膜，用XRD测 得结构为六角晶系结构，并具有（002）择优取向。可是由于在用电子束蒸发的 过程中，ZnO会失氧，因此生长成的薄膜是富锌型的ZnO薄膜。同年8月，叶 志镇等人加用直流反应磁控溅射法在硅衬底上沉积了 C轴择优取向的ZnO晶体 薄膜。在衬底温度为350c时薄膜的取向性有了很大的提高。此时ZnO薄膜的（002）峰半高宽仅为0.34.质量得到了明显的提高。不久，林碧霞等人叫也 是采用直流反应磁控溅射法在温度为300的硅基片上沉积了 ZnO薄膜，并且对 生成的薄膜进行热处理，在一个大气压氧气氛下，900c热退火lh得到氧缺陷较 少的ZnO薄膜。2002年，王金忠等人1冽采用等离子体金属有机物化学气相沉积 的方法在蓝宝石衬底上生长了 ZnO薄膜并对其实施未退火，最后退火，分段退 火处理。在分段退火样品的XRD谱中只出现ZnO的（002）和微弱的ZnO（004）二次衍射峰，而且（002）峰的半高宽仅为0.30。，这表明退火使薄膜C轴取向增 强，薄膜的质量大幅度提高。王玉玺等人用低压金属有机外延工艺首先在二氧 化硅衬底上生长硫化锌薄膜，然后将硫化锌薄膜在氧气中于不同温度下进行热氧 6磁控溅射法ZnO薄膜的制备和光学性能研究数，使其在超声换能器、Bragg偏转器、频谱分析器、高频滤波器、高速光开关 及微机械上有相当广泛的用途。这些器件在大存量、高速率光纤通信的波分复用、光纤相位调制、反雷达动态测频、电子侦听、卫星移动通信、并行光信息处理等 民用及军事领域的应用也非常广泛。随着通信技术的通信频率向高频发展，在高 于LSGHZ的频率范围内，具有低损耗的高频滤波器成为移动通信系统的最关键 部件之一。而ZnO薄膜是制作这种高频表面声波器件的首选材料。此外，ZnO薄膜还被广泛地用于制作压敏器件、气敏传感器、红外和紫外的 阻挡层等。ZnO薄膜以其性能多样、应用广泛和价格低廉等突出优势，又因其制 备方法多样、工艺相对简单、易于掺杂改性与硅IC兼容，有利于现代光电器件 的集成化，代表着现代材料的发展方向，是一种在高新技术领域及广阔的民用和 军事领域极具发展潜力的薄膜材料。1.4 ZnO薄膜的研究现状1.4.1 薄膜制备的研究进展2001年，衣立新等人口9】用电子束蒸发的方法制备了氧化锌薄膜，用XRD测 得结构为六角晶系结构，并具有（002）择优取向。可是由于在用电子束蒸发的 过程中，ZnO会失氧，因此生长成的薄膜是富锌型的ZnO薄膜。同年8月，叶 志镇等人加用直流反应磁控溅射法在硅衬底上沉积了 C轴择优取向的ZnO晶体 薄膜。在衬底温度为350c时薄膜的取向性有了很大的提高。此时ZnO薄膜的（002）峰半高宽仅为0.34.质量得到了明显的提高。不久，林碧霞等人叫也 是采用直流反应磁控溅射法在温度为300的硅基片上沉积了 ZnO薄膜，并且对 生成的薄膜进行热处理，在一个大气压氧气氛下，900c热退火lh得到氧缺陷较 少的ZnO薄膜。2002年，王金忠等人1冽采用等离子体金属有机物化学气相沉积 的方法在蓝宝石衬底上生长了 ZnO薄膜并对其实施未退火，最后退火，分段退 火处理。在分段退火样品的XRD谱中只出现ZnO的（002）和微弱的ZnO（004）二次衍射峰，而且（002）峰的半高宽仅为0.30。，这表明退火使薄膜C轴取向增 强，薄膜的质量大幅度提高。王玉玺等人用低压金属有机外延工艺首先在二氧 化硅衬底上生长硫化锌薄膜，然后将硫化锌薄膜在氧气中于不同温度下进行热氧 6西北大学硕士论文化，制备出纳米氧化锌薄膜。XRD表明具有六角纤锌矿晶体结构在PL谱中紫外 发光强度与深能级发光强度之比是80,表明纳米ZnO薄膜的高质量结晶。但它 的择优取向并不高，在XRD谱中出现许多除(002)峰以外的其它衍射峰。后来，