薄膜材料的發(fā)展與應用正在人民生活的各個方面發(fā)揮著重要作用。目前,人們對薄膜材料的研究在寬禁帶半導體薄膜方面發(fā)展比較突出。ZnO是一種新型的Ⅱ-Ⅵ化合物半導體材料,具有3.37eV室溫禁帶寬度和60meV的室溫激子結合能。大量研究表明,ZnO薄膜已在表面聲波器件、氣敏器件、壓敏器件、光探測器件以及太陽能電池領域等方面得到較為廣泛的應用。制備高質量ZnO薄膜,一直是研究的核心和熱點內容。 本文在Si襯底上,用磁控濺射設備成功制備了純ZnO薄膜和Al-N共摻雜ZnO薄膜,用X射線衍射(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)、Hall測試儀等方法研究了不同襯底溫度、濺射功率及氮氣流量條件對ZnO薄膜晶體結構、表面形貌及電學性能的影響,并在同樣濺射條件下,對兩種薄膜進行了AFM、XRD、Hall測試對比分析。 結果表明,無論有無摻雜,ZnO薄膜都具有高度的C軸擇優(yōu)取向。摻雜并未改變ZnO薄膜的晶格結構,Al和N原子,只是取代了ZnO晶格結構中Zn和O的位置。無摻雜的情況下,薄膜隨著襯底溫度從RT增大到300℃的過程中,ZnO(002)面衍射峰的強度先增大,后減小,當襯底溫度到250℃時,衍射峰強度達到最大；當濺射功率從60W增大到120W的過程中,ZnO(002)面衍射峰的強度呈先增大,后減小的趨勢。當濺射功率達到100W時,衍射峰強度達到最大。在Al-N共摻雜情況下,ZnO薄膜隨著襯底溫度從RT增大至300℃過程中,當襯底溫度到250℃時,衍射峰強度達到最大,薄膜結晶質量達到最佳,載流子遷移率達到最高,薄膜是納米級的,粗糙度較低,平整度較好,且變化較小,維持在10nm左右。當濺射功率從60W-120W增大的過程中,ZnO(002)面衍射峰的強度不斷增大,薄膜表面的晶粒尺寸和粗糙度變大,在濺射功率為100W時,遷移率有極大值為7.3cm2V-1S-1,電子載流子濃度先減少后變化不大。當氮氣流量從5sccm增大至35sccm時,(002)晶面沿c軸取向生長ZnO衍射峰的20值,向大角度方向移動,氮氣流量為25sccm結晶最好,薄膜具有較高的空穴載流子濃度。在同樣濺射條件下,對兩種薄膜進行對比分析得出摻雜ZnO薄膜表面的均勻性和致密性得到了很大程度的改善,平整度較好,且變化較小,粗糙度更小,半峰寬減小,體載流子濃度及遷移率都比純ZnO薄膜的高。
【學位單位】：牡丹江師范學院
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2013
【中圖分類】：O484.1
【文章目錄】：
中文摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 ZnO薄膜的晶體結構和性能與應用
        1.2.1 ZnO薄膜的晶體結構
        1.2.2 ZnO薄膜的基本性質
        1.2.3 光電方面的應用
        1.2.4 壓電方面的應用
        1.2.5 氣敏方面的應用
        1.2.6 壓敏方面的應用
    1.3 ZnO的缺陷與摻雜
        1.3.1 ZnO的本征缺陷
        1.3.2 ZnO的n型摻雜
        1.3.3 ZnO的p型摻雜
        1.3.4 施主-受主共摻雜概述
    1.4 本文的研究內容
第2章 ZnO薄膜的制備方法及性能表征手段
    2.1 ZnO薄膜的制備方法
        2.1.1 金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)
        2.1.2 溶膠一凝膠法(sol-gel)
        2.1.3 噴霧熱解方法(spray pyrolysis)
        2.1.4 脈沖激光沉積法(PLD)
        2.1.5 分子束外延法(MBE)
    2.2 磁控濺射
        2.2.1 磁控濺射法概述
        2.2.2 磁控濺射原理
        2.2.3 磁控濺射的基本過程
        2.2.4 磁控濺射沉積的分類
        2.2.5 多靶磁控濺射技術
        2.2.6 輝光放電原理
    2.3 ZnO薄膜的性能表征手段
        2.3.1 X射線衍射(XRD)
        2.3.2 掃描電子顯微鏡(SEM)
        2.3.3 原子力顯微鏡(AFM)
        2.3.4 霍爾效應測試(Hall)
    2.4 本章小結
第3章 ZnO薄膜的制備與生長取向研究
    3.1 引言
    3.2 ZnO薄膜的制備
        3.2.1 實驗裝置
        3.2.2 襯底的預處理
        3.2.3 ZnO薄膜制備的流程
    3.3 ZrO薄膜制備及結果與討論
        3.3.1 不同襯底溫度對ZnO薄膜生長取向的影響
        3.3.2 不同濺射功率對ZnO薄膜生長取向的影響
    3.4 小結
第4章 Al-N共摻雜氧化鋅薄膜的制備及表征
    4.1 引言
    4.2 不同襯底溫度下Al-N共摻雜ZnO薄膜的制備
        4.2.1 襯底溫度對表面形貌的影響
        4.2.2 襯底溫度對薄膜結構的影響
        4.2.3 襯底溫度對薄膜電學性能的影響
    4.3 不同濺射功率下Al-N共摻雜氧化鋅薄膜的制備
        4.3.1 濺射功率對薄膜表面形貌的影響
        4.3.2 濺射功率對薄膜結構的影響
        4.3.3 濺射功率對薄膜電學性能的影響
    4.4 不同氮氣流量下ZnO薄膜的制備
        4.4.1 氮氣流量對ZnO薄膜表面形貌的影響
        4.4.2 氮氣流量對ZnO薄膜結構性能的影響
        4.4.3 氮氣流量對ZnO薄膜電學性能的影響
    4.5 本章小結
第5章 相同濺射條件下摻雜與非摻雜ZnO薄膜的對比分析
    5.1 引言
    5.2 Al-N共摻雜ZnO薄膜與純ZnO薄膜的制備
    5.3 Al-N共摻雜ZnO薄膜與純ZnO薄膜AFM測試對比
    5.4 Al-N共摻雜ZnO薄膜與純ZnO薄膜XRD測試對比
    5.5 Al-N共摻雜ZnO薄膜與純ZnO薄膜hall測試對比
    5.6 本章小結
結論
參考文獻
攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文
致謝

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 李戈揚,施曉蓉,辛挺輝,吳亮,李鵬興;TiN/AlN 納米混合膜的微結構及力學性能[J];上海交通大學學報;1999年02期

2 邊超,姚寧,張?zhí)m,楊仕娥,張兵臨;ZnO薄膜發(fā)光特性的研究進展[J];真空與低溫;2003年02期

本文編號：2837855