脉冲激光沉积在Si(100)衬底上外延ZnO薄膜的光致发光研究

阿肖克·库马尔、萨提哈里什·吉迪贡塔、塔拉索夫和奥斯塔潘科

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AZojomo（ISSN 1833-122X）第6卷2010年11月

涵盖的主题

摘要
关键字
介绍
实验
结果与讨论
晶体结构
光致发光(PL)
表面形态
结论
参考文献
详细联系方式

摘要

在室温到600℃的不同衬底温度下，在含氧和不含氧条件下，采用脉冲激光沉积法在硅(100)衬底上生长ZnO薄膜。采用x射线衍射(XRD)、室温光致发光(PL)和原子力显微镜(AFM)等方法研究了沉积参数对ZnO薄膜性能的影响。随着沉积温度的升高，薄膜的结晶度和光学质量都得到了改善。XRD测试结果表明，即使在低至300℃的温度下，也能生长出具有(002)和(004)择优取向的高C轴取向ZnO薄膜。XRD测试结果表明，随着氧含量的增加，薄膜的结构质量下降。紫外发光强度增加，表明薄膜的光学质量得到改善。随着紫外发射峰的出现，我们观测到一个由绿色、橙色和红色组成的宽的非结构带，并对这些发射的起源和原因进行了研究。

关键字

氧化锌，脉冲激光沉积，光致发光

介绍

II-VI族化合物半导体的生长、合成和应用引起了人们极大的兴趣，因为这些化合物在较短波长的光电子学中有着广泛的应用。ZnO是一种II-VI族化合物半导体，室温下直接带隙为3.37 eV，结晶为六方纤锌矿结构[1]。它具有很强的n型导电性，并具有良好的压电、压电光学、光电和声光特性，因此它有许多应用，包括传感器、压电器件、表面声波器件、光波导、低温压敏电阻、纳米尖端[2,3]。ZnO也是GaN薄膜的理想缓冲层。它是一种具有纤锌矿GaN的同构材料，其基面中的晶格失配约为2.2%[4]。ZnO薄膜的一个有趣特征是其在室温下具有60 meV的大激子结合能，作为短波长发光器件和激光二极管的光电材料引起了广泛关注[5]。

制备高质量ZnO薄膜的方法有多种，如射频磁控溅射[6-8]、MOCVD[9,10]、MOVPE[11]、喷雾热解[12,13]、脉冲激光沉积[14-17]。在众多的沉积技术中，脉冲激光沉积(PLD)被认为是薄膜技术中最有前途的技术之一。PLD可以在相对较低的沉积温度和较高的沉积速率下提供高质量的晶体薄膜。

迄今为止，许多文献报道了ZnO薄膜的光致发光特性。ZnO的光致发光谱通常有两个发射峰，分别位于紫外和可见光区，这两个发射峰已被广泛研究。Wang等人[18]认为，深能级发射的原因是锌空位和反位缺陷。Bae等人[17]认为可见发射源于缺陷中心，缺陷中心对应于大晶格失配导致的晶格缺陷以及热膨胀系数导致的基底对薄膜的压缩力。很少有人报告说，氧空位或锌间隙是造成深能级辐射的主要原因，主要是在绿色区域[19-24]。可见光发射包括绿色、橙色和红色光致发光。关于橙色发光[25,26]和红色发光[27]的起源，很少有文献报道。

本文主要研究了不同沉积参数下ZnO薄膜的光致发光特性。薄膜在紫外光、黄绿、橙和红色区域均有发光特性。ZnO薄膜的橙色和红色发光特性受到较少的关注。因此，试图了解这一现象并研究这些排放。研究了环境压力和沉积温度对发光性能的影响。利用x射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)对薄膜的结构和形貌进行了表征。

实验

采用高纯度ZnO(99.9999%)靶材在Si(100)衬底上沉积薄膜。采用λ Physik LPX 210i KrF准分子激光器，工作波长为248 nm，脉冲宽度为25 ns，激光流量为450 mJ/脉冲，重复频率为10 Hz。靶材与基体分离5.0 cm。沉积是通过首先将腔室疏散到1 × 10的基础压力进行的⁶托。利用各种激光光学装置将激光束定向聚焦到目标上。氧化锌薄膜的沉积在硅(100)基板在不同的温度下从RT - 600°C下特高压(无氧),50毫托,100毫托氧活性气氛20分钟。目标持有人旋转在整个实验过程中有一个统一的化学计量学电影,避免任何损坏的目标。每次沉积前都要对目标进行抛光。薄膜的厚度约为300 ~ 375 nm。采用325 nm连续He-Cd激光器进行室温光致发光测量。采用CuKa辐射X-Pert PRO XRD对薄膜的结构性能进行了表征。用纳米原子力显微镜测量了表面形貌和粗糙度。

结果与讨论

晶体结构

图1-4为不同衬底温度和分压下ZnO薄膜的XRD谱图。在100℃无氧条件下，没有观察到ZnO的特征峰。但在100℃的衬底温度下，随着氧的加入，可以观察到ZnO峰。由此可见，即使在低至100°C的温度下，在氧气的供应下，ZnO也可以外延生长。当氧压力为50mTorr时，随着衬底温度从100°C增加到600°C, ZnO(002)峰强度在35°左右显著增加。在300℃以上的温度下，即使在没有氧气的情况下，在34.01°和71.36°附近也可以看到ZnO(002)和ZnO(004)的择优取向峰。随着膜中氧含量的增加，膜的结晶度进一步提高。当氧压从50 mTorr增加到100 mTorr时，FWHM值从0.32显著降低到0.16(图1(a)和1(b))。通过考虑FWHM值和强度计数(如表1所示)，从XRD谱图比较了薄膜的结晶质量。随着薄膜厚度的增加，薄膜的结晶性得到改善，这也与Zhang等al[28]一致。 It was observed that there was a shift in the 2θ values from 34°. When the diffraction peak shifted towards a larger angle direction, from Bragg’s law it can be implied that there is a decrease in the lattice constant. It was attributed to the generation of oxygen vacancies or zinc interstitials [30]. As shown in the Fig. 3, the films deposited at a temperature of 400 °C in 50 mTorr oxygen partial pressure had the least FWHM value of 0.216° for the ZnO (002) peak. Of the samples prepared for the study, this sample is relatively thicker with a thickness around 372 nm. Both the (002) and (004) peak intensities were high for this sample as can be viewed from Fig 3.

图1所示。在50 mTorr和100 mTorr O条件下，100℃沉积ZnO薄膜的XRD谱图₂

图2。在0 mTorr和50 mTorr O中沉积的ZnO薄膜的XRD谱图₂

图3。在0 mTorr和50 mTorr O中400℃沉积ZnO薄膜的XRD图谱₂

图4。600°C下在0 mTorr和50 mTorr O中沉积的ZnO薄膜的XRD图谱₂

表1。不同沉积条件下ZnO薄膜的XRD分析。

T年代/°C	O2mTorr中的压力	2θ		应用		强烈
		(002)	(004)	(002)	(004)	(002)	(004)
One hundred.	0	-	-	-	-	-	-
One hundred.	50	34.20	-	0．32	-	423	-
One hundred.	One hundred.	34.32	-	０．１６	-	398	-
300	0	33.82	-	0.28	-	608	-
300	50	34.46	72.66	0.28	1.3.	8700	81
400	0	34.03	71.40	0.47	-	4700	40
400	50	34.01	71.36	0.216	1.3.	15000	222
600	0	34.25	72.13	0．24	1.3.	22880	410
600	50	34.46	72.63	0．24	1.3.	6500	One hundred.

光致发光(PL)

在室温下，用He-Cd (325 nm)激光器作为激发源，在不同温度和分压下沉积的ZnO薄膜上进行了光致发光研究(图5和图6)。

图5。在不同的沉积温度和50 mTorr恒定的氧气压力下，ZnO薄膜在硅衬底上产生了室温发光

图6。不同沉积温度和恒定氧压下硅衬底上ZnO薄膜的室温光致发光

表2。ZnO薄膜的发光结果。

T年代/°C	氧分压，单位是mTorr	紫外峰	绿黄	橙色乐队	强度计算
One hundred.	0	385	501	-	17/4
One hundred.	50	384	-	-	19
One hundred.	One hundred.	383	-	586	29/23
300	50	380	-	604	171/29
400	0	378	-	651	8/4
400	50	-	-	540/738	8/15
600	0	382	-	684	13/81
600	50	378	504	630	571/54/146

ZnO薄膜的发光光谱有4个峰:378 nm左右的紫外发射峰，510 nm处的黄绿色发光，630 nm处的橙色发光，738 nm处的红色发光。第一个峰是由紫外发射引起的，主要是带到带的跃迁、激子发射和供体-受体对跃迁。在505 nm左右的宽绿-黄带是由于绿色区域的深能级发射，这是由于氧空位、锌间隙或锌空位[21]。这两个峰是氧化锌样品中最常见的发光峰。

除了这两个共同的峰，在橙色和红色区域观察到的其他两个发射峰是关注的焦点。在630nm波长附近的橙色波段，要么是由于过量的局部氧的存在，要么是已知的结构缺陷[26]造成的。在喷雾热解[3]和过滤阴极真空电弧[30]沉积的富氧ZnO薄膜中观察到该带。这个波段有许多重叠的峰。

第四波段在738 nm波长的红外区域观测到。溅射的ZnO薄膜表现出n型导电性，导致红色和红外发射带[22,31]。人们认为，造成这种发射的中心归因于天然缺陷的形成，而不是化学杂质掺杂，如铜或锂。这个波段的起源还不清楚，还在研究中。

首先，在恒定氧压下，研究了衬底温度的影响。图5和图6是100℃、300℃和600℃下沉积ZnO薄膜的室温发光谱图。在这些温度下，氧分压分别保持在50毫托和100毫托。从图5可以看出，在氧压为50 mTorr时，随着沉积温度的升高，UV峰的强度大大增加。在我们的样品中，我们没有观察到任何对应于505 nm波段的令人讨厌的发射光谱，这意味着沉积的薄膜具有较高的质量。

在100 mTorr氧气压力下，观察到ZnO薄膜发出强烈的黄橙色发光(图10)。在300℃和600℃下沉积的薄膜的紫外峰强度非常接近，这可能是某种类型的饱和的指示。对于所有温度，黄橙峰均可由两条高斯曲线拟合。高斯曲线的位置分别为646 nm和786 nm。这些能带的存在可以归因于过量的局部氧或结构缺陷的存在，以及ZnO薄膜中n型电导率的红外发射。这两个峰的强度之间的比值随温度线性变化(见图6中的插入)。在薄膜中观察到的黄色和橙色波段似乎是相互关联的，因为薄膜的化学计量是目标成分和提供的氧气的组合。可以排除由于ZnO薄膜的多晶性造成的结构缺陷而产生橙色发光的原因，因为XRD结果表明ZnO薄膜具有高结晶性和c轴取向。

这表明紫外发光强度取决于ZnO薄膜的化学计量比，而不是其微观结构质量，这与[1,11]一致，与Tang等人[28]给出的相反。

表面形态

图7和图8显示了在100℃和400℃下沉积的ZnO薄膜的表面形貌。第一组样品在100°C下有氧和无氧沉积。对于有氧气的样品，分压维持在50mtorr。结果表明，在含氧条件下沉积的薄膜表面光滑，颗粒均匀分布在薄膜表面。在50 mTorr氧条件下，在100℃下沉积的薄膜表面粗糙度约为6.44 nm。当温度从100°C升高到400°C时，晶粒尺寸增大。在400℃无氧条件下，可以观察到晶粒尺寸不均匀，表面粗糙度值为11.44 nm。但随着氧的加入，晶粒均匀且集中在薄膜中心，表面粗糙度大大降低至5.54 nm。还观察到有不同大小的颗粒形成。这可能归因于用于沉积薄膜的可编程逻辑器件技术。

图7 (a)。100°C和0 mTorr O下沉积的ZnO薄膜俯视图₂

图7 (b)。俯视图的ZnO薄膜沉积在400°C 0 mTorr O₂

图8 (a)。在50 mTorr O下在100°C下沉积的ZnO薄膜的表面图₂。

图8 (b)。在50mTorr O, 400°C下沉积ZnO薄膜的表面图₂。

表3。不同沉积条件下薄膜的均方根粗糙度。

T年代/°C	O2mTorr中的压力	意味着粗糙度,R一个（纳米）
100°C	0	3.596
100°C	50	6.436
400°C	0	11.442
400°C	50	5.538

结论

我们采用脉冲激光沉积法在Si（100）上沉积了ZnO薄膜，沉积温度从室温到600°C不等，有氧和无氧。随着氧的加入，ZnO相和薄膜的结晶性质有了改善。XRD结果表明，在400°C衬底温度和50 mTorr氧气压力下生长的薄膜具有最低的半高宽值0.216°，这也得到了AFM结果的支持，其最小表面粗糙度值为5.54 nm。当氧分压从50增加到100 mTorr时，薄膜的结晶度提高。但在较高温度（~600℃）下，薄膜的结构性能随着氧气压力的增加而退化，尽管光学性能有所改善。光致发光研究表明，紫外发光随氧压的增加而增加。这可能归因于薄膜化学计量的改进。薄膜中出现橙色带可能是由于过量的局部氧。在300°C和50 mTorr氧气下沉积的薄膜的PL结果具有良好的光致发光性能。

参考文献

1.Jin B.J.， Bae S.H.， sys Lee and S. Im, Mater。Sci.Engg。， b71 (2000)
2.肖荣峰，廖立波，南。库依，X.W.和H.S. Kwok, J. Appl。理论物理。， 80 (1996) 4226
3.S. A. Studenikin, Nickolay Golego和M. Cocivera, J. Appl。理论物理。(1998) 2287。
4.R.D. Vispute, V. Talyansky, S. Choopun, R.P. Sharma, M.C. Woods and A.A. Illiadis, Appl。理论物理。列托人。， 70(1997) 2735。
5.A.山本，K.宫岛和T.后藤，J. Appl。理论物理。90(2001) 4973。
6.Vivekanand Bhatt, Prem Pal and Sudhir Chandra, Surface and Coatings Technology, 198, Issues 1-3, August 1(2005)304-308。
7.薛志勇，张东辉，王庆平，王建华，应用。苏尔。科学。， 195 (2002)
8.K.K. Kim, J.H. Song, H.J. Jing, W.K. Choi, S.J. Park, J. Appl。理论物理。， 87(2000) 3573。
9.6 . B.P. Zhang, K. Watatsuki, N.T. Binh, N. Usami and Y. Segawa, Thin Solid Films, 449(2004) 12。
10.徐伟，叶哲，周涛，朱磊，黄建军。增长，265(2004)133。
11.K.H. Yoon和J.Y. Cho, Matl。>牛。， 35 (2000)
12.M. Krunks和E. Mellikov，《Thin Solid Films》，270(1995)33。
13.T. Ohshima, R.K. Thareja, T. Ikegami, K. Ebihara，表面涂层。技术，169- 170(203)517。
14.E.S. Shim, H.S. Kang, J.H. Kim和S.Y. Lee, appll。苏尔。科学。474。
15.金B.J.、林s.e、李s.y.，薄膜科学，366(2000)107。
16.裴善衡、李善英、金善英、林善英，appll。苏尔。科学。， 168 (2000)
17R.D.维斯普特、V.塔利亚斯基、R.P.夏尔马、K.A.琼斯和S.乔普，APL。物理。Lett.，71（1997）102。
18.K. Vanhesden, C.H. Seager, W.L. Darren, D.R. Tallant和J.A. Voigt，应用。理论物理。列托人。， 68 (1996)
19.李旭辉，黄爱平，朱明坤，王浩，韩斌，闫慧，板书。列托人。57(2003) 4655。
20.单国强和余永胜，欧共体。Cer。Soc。1869年。
21.F.H. Leiter, H.R. Alves和A. Hofstaetter, Phys。《Solidi》，B226 (2001)
22.5.姜志强、姜洪生、彭绍生、沈e.s.和李淑英，《薄膜材料》，443 (2003)
23.S.S. Chang, G.J. Choi, M.J. Park, M.E. Stora和R.E. Hummel, Matl。科学。Engg。， b83 (2001)
24.刘志峰，单方刚，李玉霞，申碧霞，于玉生，晶体生长，(2003)39。
25.尾崎幸和尾美幸(日本)j:。理论物理。， 41(2002) 5614。
26.R.B.劳尔，J. Phys。化学。固体，34(1973)249。
27.邓志刚、黄国良、余鹏，应用。理论物理。列托人。(1998) 3270。
28.张颖，杜刚，马勇，王军，杨淑君，晶体生长。， 243 (2002)
29.王永刚，刘世平，张晓华，李洪伟，戴宝强，晶体生长。265。
30.S. Tusemen和K.B. Vcer, Appl。理论物理。列托人。， 80 (2002)
31M.Kayano和P.QuocBao，物理系。索里达地位，1（2002）125。

详细联系方式

Ashok Kumar
机械工程系
南佛罗里达大学
坦帕FL 33620;美国

电子邮件:[受电子邮件保护]

Sathyaharish Jeedigunta
电气工程系
南佛罗里达大学
坦帕FL 33620;美国

Tarasovc和S. Ostapenkoc
纳米材料亚博网站下载与纳米制造研究中心
南佛罗里达大学
坦帕FL 33620;美国

论文发表在《材料与材料加工技术进展》，10[2](2008)95-100。亚博网站下载