不同過渡層對ZnO薄膜的影響

李敏君 趙祥敏 趙文海 張 偉

（1.牡丹江師范學(xué)院工學(xué)院 黑龍江 牡丹江 157012；2.牡丹江師范學(xué)院新型碳基功能與超硬材料省級重點實驗室 黑龍江 牡丹江 157012；3.黑龍江商業(yè)職業(yè)學(xué)院 黑龍江 牡丹江 157011）

0 引言

目前，人們己經(jīng)探索了多種生長ZnO薄膜的技術(shù)，但是，在薄膜生長技術(shù)中，襯底的選擇是極其重要的一個環(huán)節(jié)，如果沒有合適的襯底材料，外延薄膜的質(zhì)量也會受到影響。大量研究表明，在Si襯底上生長ZnO薄膜具有重要的意義[1]，然而由于ZnO和Si之間的晶格失配度大，而且兩者熱膨脹系數(shù)相差很大,所以在Si襯底上直接生長出高質(zhì)量的ZnO薄膜不是很理想。為了解決以上問題,在Si襯底和ZnO外延層之間引入過渡層是目前被廣泛采用的方法。過渡層不僅可以阻止襯底的氧化，而且也能緩解由于晶格失配和熱失配而引起的張應(yīng)力[2]。

從經(jīng)濟角度和ZnO與各種基片的晶體結(jié)構(gòu)是否相同、晶格失配率大小和熱膨脹系數(shù)是否相近等各種因素考慮，我們選用AlN和Al2O3為過渡層，采用射頻磁控濺射[3]技術(shù)，通過對薄膜生長工藝的摸索，研究總結(jié)不同過渡層對ZnO薄膜的影響，完善其制備工藝，提高ZnO薄膜質(zhì)量，從而改善實用化器件的光電性能。

1 實驗

實驗分三大組，各組最佳具體參數(shù)如表1所示。

在表1（A）組和表1（B）組得到的樣品上，利用表1（C）組實驗參數(shù)制備了兩塊ZnO薄膜。樣品編號分別為樣品1和樣品2。

表1 制備ZnO/AlN(Al2O3)復(fù)合膜的工藝參數(shù)

圖1 不同過渡層下ZnO薄膜的AFM圖像

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

使用CSPM4000型的原子力顯微鏡對樣品表面形貌進行觀測。圖1為不同過渡層下ZnO薄膜的AFM三維圖像，其中樣品1和樣品2分別為AlN過渡層和Al2O3過渡層下ZnO薄膜的AFM三維圖像。

從圖1中可以看出，以AlN為過渡層的ZnO薄膜粗糙度更小,結(jié)晶更致密，晶粒呈圓球密堆結(jié)構(gòu)，膜面更光滑。而以Al2O3為過渡層的ZnO薄膜粗糙度較大，結(jié)晶較稀疏，晶粒大小不均勻，可見引入AlN過渡層后,在AlN過渡層表面,濺射分子更易成核，更易于形成優(yōu)質(zhì)的ZnO薄膜。

我們還研究了不同過渡層下ZnO薄膜的粗糙度，其中樣品1的平均表面粗糙度（Sa）為15.5nm，均方根粗糙度(Sq)為18.9nm；樣品2的平均表面粗糙度（Sa）為16nm，均方根粗糙度(Sq)為20.2nm。由分析結(jié)果可知,以AlN為過渡層的ZnO薄膜樣品的Sa和Sq均小于以Al2O3為過渡層的ZnO薄膜，這與AFM圖像得到的結(jié)論相符。

2.2 XRD測試分析

所有ZnO薄膜樣品的X射線衍射(XRD)測試均是利用D/MAX-2200型X射線衍射儀測試的。圖2為ZnO薄膜的XRD衍射圖譜。

圖2 不同過渡層下ZnO薄膜的XRD衍射圖譜

由圖2可見，在2θ=30°～60°掃描范圍內(nèi)，兩種樣品的ZnO薄膜都只有一個衍射峰，由PDF卡片庫可知，此峰是ZnO（002）取向的衍射峰。這說明，在此條件下，無論是以AlN/Si為過渡層，還是以Al2O3/Si為過渡層，ZnO都會有高度的C軸擇優(yōu)取向。

為了進一步討論不同過渡層對ZnO薄膜的影響，我們測試了兩種樣品ZnO薄膜（002）衍射峰的衍射角（2θ）和半峰寬（FWHM）。樣品1(ZnO/AlN/Si)的 2θ 為 34.4°，F(xiàn)WHM 為 0.315°；樣品 2（ZnO/Al2O3/Si）的2θ 為 34.5°，F(xiàn)WHM 為 0.317°

由此可見，以AlN為過渡層的ZnO薄膜的衍射峰位更接近ZnO體材料的衍射峰位34.421°，半峰寬越小，根據(jù)Scherrer方程D=0.9λ/Δθcosθ(式中,D為晶粒的尺寸,λ為X-ray波長，Δθ為衍射峰的半高寬,θ為此衍射峰所對應(yīng)的衍射角)可見,半峰寬越小，結(jié)晶質(zhì)量越高[2]。因此，可以說明在該生長條件下，引入AlN過渡層比引入Al2O3過渡層，樣品的晶粒更大，結(jié)晶質(zhì)量更高，ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量得到明顯改善[4]。

2.3 霍爾測試分析

本實驗中樣品的霍爾測試均采用范德堡方法，在HL5550霍爾測試儀上完成。表2為由霍爾測試儀測試不同過渡層下ZnO薄膜樣品的電學(xué)參數(shù)及導(dǎo)電類型。

表2 不同過渡層下ZnO薄膜樣品的電學(xué)參數(shù)及導(dǎo)電類型

從表2中可以看出，兩種樣品ZnO薄膜的導(dǎo)電類型也都是N型，而且以AlN為過渡層的ZnO薄膜，其電阻率明顯低于以Al2O3為過渡層的ZnO薄膜。這是由于ZnO和AlN的晶格失配度比和Al2O3的小，熱膨脹系數(shù)比和Al2O3的更相近，所以以AlN為過渡層外延生長的ZnO薄膜結(jié)晶質(zhì)量更高，薄膜內(nèi)部的應(yīng)力減小，位錯、晶界缺陷等缺陷濃度低，電阻率減小。

3 結(jié)論

以上研究表明，以AlN為過渡層制備的ZnO薄膜比以Al2O3為過渡層制備的ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能要好。而且通過以上研究發(fā)現(xiàn)，過渡層是影響ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性的一項重要因素。

［1］趙祥敏,李敏君,張偉，等.不同濺射時間下AlN緩沖層對ZnO薄膜的影響[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2012,4(17):114-115.

［2］趙祥敏，李敏君，張偉，等.磁控濺射制備AlN過渡層ZnO薄膜及其性能研究[J].科技信息，2011(1)：52.

［3］李爽,王鳳翔,付剛，等.射頻磁控濺射制備ZnO光波導(dǎo)薄膜[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報，2010,25(1):10-11.

［4］向嶸，王新，姜德龍，等.基于氧化鋁緩沖層的Si基ZnO薄膜研究[J].兵工學(xué)報，2008(8)：1064-1066.