1、ZnO薄膜材料的制備工藝設(shè)計(jì),1、ZnO薄膜材料的應(yīng)用及性能研究狀況 2、氧化鋅薄膜的制備與技術(shù) 3、利用中頻脈沖電源和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣 相沉積方法制備ZnO薄膜材料 4、薄膜的性能應(yīng)用及主要表征方法概述,引言,近年來(lái)，由予光電子器件快速發(fā)展，尤其是GaN研究進(jìn)程的加快，光電材料成為研究的重點(diǎn)。透明氧化物(Transparent Conductive Oxide簡(jiǎn)稱TCO)薄膜具有禁帶寬、可見(jiàn)光譜區(qū)光透射率高和電阻率低等特性，其研究與開(kāi)發(fā)同樣得到飛速的發(fā)展，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、平面顯示、特殊功能窗口層以及光電器件領(lǐng)域。其主要包括In、Sb、zn和Cd的氧化物及其復(fù)合多元氧化物薄膜材料

2、，而以摻錫氧化銦(TinDoped IndiumOxide簡(jiǎn)稱I，IO膜)薄膜為代表透明導(dǎo)電薄膜材料的研究較成熟，應(yīng)用最為廣泛，美日等國(guó)也已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。但金屬銦價(jià)格十分昂貴，相對(duì)來(lái)說(shuō)，制備氧化鋅薄膜的原材料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、毒性小。特別用znO制作固體激光器，激發(fā)波長(zhǎng)有向短波方向發(fā)展的趨勢(shì)，摻鋁氧化鋅膜(znO：A1)也有同rIO膜可比擬的光學(xué)電學(xué)性質(zhì)，使znO化合物成為半導(dǎo)體材料中一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，開(kāi)始逐步應(yīng)用到眾多領(lǐng)域中。,1、ZnO薄膜材料的應(yīng)用及性能研究狀況,1.1 ZnO薄膜材料的應(yīng)用 ZnO 由于其優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì),使其在許多方面都有廣闊的應(yīng)用前景. 下面主要介紹ZnO 薄

3、膜在太陽(yáng)能電池、表面聲波器件、氣敏壓敏元件以及在紫外探測(cè)、場(chǎng)發(fā)射顯示器等方面的應(yīng)用.,1. 1. 1太陽(yáng)能電池,ZnO薄膜尤其是AZO ( ZnO: A1)膜,具有良好的透明導(dǎo)電性能,可與ITO ( In2O3 : Sn)膜相媲美. 而且相對(duì)ITO 膜, AZO 膜無(wú)毒性,價(jià)廉易得,穩(wěn)定性高,正逐步成為ITO薄膜的替代材料.ZnO薄膜主要是作為透明導(dǎo)電電極和窗口材料用于太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)制備, ZnO受高能粒子輻射損傷較小, 因此特別適合于太空中使用.R. Groenen等人利用擴(kuò)展熱等離子束技術(shù)制得ZnO: A1薄膜( 80% ) ,已應(yīng)用于Si: hp - i - n太陽(yáng)能電池生產(chǎn).,1.

4、1. 2表面聲波器件,ZnO本征材料是一種具有六角纖鋅礦相結(jié)構(gòu)的n型半導(dǎo)體,有較高的機(jī)電耦合系數(shù)和較低的介電常數(shù),因而被廣泛地用于制作表面聲波器件( SAW). 但是,要達(dá)到SAW 器件良好的c軸擇優(yōu)取向性、高電阻率,從而有高的聲電轉(zhuǎn)換效率以及晶粒細(xì)小、表面光滑、晶體缺陷少以減少對(duì)SAW的散射的要求,還得對(duì)ZnO 薄膜進(jìn)行進(jìn)一步的工藝加工處理. 用ZnO 薄膜制成的SAW器件有工作損耗低、傳輸損耗低、聲電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn).J. J. Chen等用直流反應(yīng)磁控濺射法制備的ZnO薄膜具有良好的c軸擇優(yōu)取向性,其表面非常光滑(表面粗糙度即凹凸差值為7. 8 nm) ,界面清晰,機(jī)械性能優(yōu)良,電阻率高

5、達(dá)1. 97 107cm. 實(shí)驗(yàn)證明: 用這種薄膜制作的SAW 器件頻率可達(dá)830MHz,而輸入損耗僅為20 dB .,1. 1. 3氣敏壓敏元件,ZnO薄膜光電導(dǎo)性隨表面吸附的氣體種類和濃度不同會(huì)發(fā)生很大變化. 據(jù)此特點(diǎn), ZnO 薄膜可用來(lái)制作表面氣敏器件,通過(guò)摻入不同元素,可檢測(cè)不同的氣體,其敏感度用該氣體環(huán)境下電導(dǎo)G與空氣中電導(dǎo)G0 的比值G /G0 來(lái)表示.H. Y. Bae、G. L. Tan等人用Sol ge1分別合成了ZnO薄膜氣敏元件,其對(duì)CO、H2 和CH4等均有較高的敏感度. 實(shí)驗(yàn)表明:配制的前體溶液pH值越小,薄膜對(duì)CH4 敏感程度越高. 而摻Sn、Al形成的ZnO:

6、Sn、ZnO: A1薄膜可檢測(cè)乙醇蒸汽,且在675 K下敏感度最高, G /G0 = 190.另外, ZnO 薄膜在室溫下就能產(chǎn)生較強(qiáng)的紫外受激輻射, 特別是它的激子結(jié)合能高達(dá)60MeV,在目前常用的半導(dǎo)體材料中首屈一指,這一特性使它具備了室溫下短波長(zhǎng)發(fā)光的有利條件. 浙江大學(xué)已用PLD 法在硅襯底上制得性能優(yōu)良的ZnO 薄膜,并直接用平面磁控濺射制備了叉指狀電極,在波長(zhǎng)從340 nm到400 nm的連續(xù)光譜光線照射下, ZnO 光導(dǎo)型紫外探測(cè)器有很明顯的光響應(yīng)特性,其截止波長(zhǎng)為370 nm.,1.2 ZnO薄膜材料的性能研究狀況,ZnO作為一種直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料,其單晶在室溫下禁帶寬

7、度約為3. 3 eV,該性質(zhì)使其在光電器件領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景. ZnO材料的激子結(jié)合能高達(dá)60 MeV,其發(fā)光波長(zhǎng)比GaN的藍(lán)光波長(zhǎng)還要短,可以進(jìn)一步提高光存儲(chǔ)的密度. ZnO以其諸多優(yōu)良的綜合性能將成為下一代寬帶隙半導(dǎo)體材料,因?yàn)樯L(zhǎng)大尺寸、優(yōu)質(zhì)的ZnO單晶無(wú)論對(duì)于基礎(chǔ)研究還是實(shí)際應(yīng)用都有重要意義.此外, ZnO薄膜由于具有光電耦合系數(shù)大,介電常數(shù)小,光透過(guò)率高,化學(xué)性能穩(wěn)定等特性,在制造透明導(dǎo)電電極、表面聲波器件、傳感器、平面板顯示器件、太陽(yáng)能電池等許多領(lǐng)域有著廣泛的用途. 例如: ZnO 薄膜的電阻率高于10- 6 m,在合適的生長(zhǎng)、摻雜或退火條件下可形成簡(jiǎn)單半導(dǎo)體,導(dǎo)電性能得到大幅提

8、升,電阻率可達(dá)到1m數(shù)量級(jí); ZnO薄膜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)光透過(guò)率高達(dá)90% ,可以用作優(yōu)質(zhì)的太陽(yáng)電池透明電極,然而它在紫外光譜和紅外光譜范圍內(nèi)有強(qiáng)烈的吸收作用,這一性質(zhì)又可使它被用作相應(yīng)光譜區(qū)的阻擋層. 另外,在透明導(dǎo)電膜的研究方面,摻鋁ZnO 膜(AZO)也有同ITO 膜可比擬的光電性質(zhì). ZnO還具有熔點(diǎn)高、制備簡(jiǎn)單、沉積溫度低和較低的電子誘生缺陷等性質(zhì),以硅為襯底生長(zhǎng)的ZnO薄膜有希望將光電子器件制作與傳統(tǒng)的硅平面工藝相兼容.,2 氧化鋅薄膜的制備與技術(shù),znO禁帶寬度約為33eV，與GaN具有相近的晶格特性和電學(xué)特性，都是六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體，不同用途的znO薄膜對(duì)薄

9、膜的結(jié)晶取向、表面平整度、導(dǎo)電性、壓電性和光學(xué)性能有不同的要求，而薄膜的這些特性是由制備過(guò)程的工藝參數(shù)決定的。目前，已開(kāi)發(fā)了多種znO薄膜的制備技術(shù)，來(lái)調(diào)控和改善材料的性能。這些技術(shù)各有特點(diǎn)，在降低反應(yīng)溫度、提高控制精度、簡(jiǎn)化制備成本方面做了大量的工作。制備znO薄膜的方法主要有：磁控濺射工藝、脈沖激光沉積、射頻濺射法、雙離子束濺射沉積法、化學(xué)氣相沉積法、分子束蒸發(fā)沉積、噴霧熱分解法以及溶膠一凝膠法等等。,21 磁控濺射工藝,采用磁控濺射法制備zn0薄膜是研究最為成熟，同時(shí)也應(yīng)用最廣泛。此法適用于各種壓電、氣敏和透明導(dǎo)體用優(yōu)質(zhì)znO薄膜的制備。用此法可以在非晶襯底上可得到高度c軸取向的znO薄

10、膜，透光率高達(dá)99，還通過(guò)改進(jìn)生長(zhǎng)工藝參數(shù)、退火或摻雜，調(diào)整znO薄膜的電阻率。由于濺射法具有沉積速率高、適于大面積薄膜制備，與IC平面器件工藝有良好的兼容性的優(yōu)點(diǎn)，目前仍是制備最佳的優(yōu)質(zhì)znO薄膜常用方法。為了進(jìn)一步提高znO薄膜的質(zhì)量，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)雙離子束濺射沉積工藝，引人了主輔兩個(gè)離子束源，通過(guò)對(duì)znO靶的濺射，使其沉積成膜、主輔離子束源帶兩個(gè)石墨平面柵極及帶兩個(gè)散焦柵極的離子源，為避免濺射過(guò)程中離子束與靶介電表面發(fā)生相互作用而出現(xiàn)正電荷沉積，在體系中添加一個(gè)等離子體中和器。znO靶由znO粉末加壓制成，放置于由水冷卻的靶座上，沉積前將沉積室抽至低真空，濺射時(shí)，主離子束能量為900eV，電流

11、為70一35mA，輔離子束能量為150eV，電流為8mA在輔離子源的引入氣流中使氧含量高于50，可以避免薄膜中zn超量過(guò)多。控制輔離子源的引入氣流，沉積薄膜的組成可基本達(dá)到化學(xué)劑量配比。,22 脈沖激光沉積,脈沖激光沉積(PLD)工藝是近年發(fā)展起來(lái)的真空物理沉積工藝，是一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的新工藝。與其它工藝相比，具有可精確控制化學(xué)計(jì)量，合成與沉積同時(shí)完成，對(duì)靶的形狀與襯底表面質(zhì)量元要求等優(yōu)點(diǎn)，所以可對(duì)固體材料進(jìn)行表面加工而不影響材料本體。而使用濺射法制備透明電極時(shí)，易使襯底受損，不易得到平整度高的表面。文獻(xiàn)報(bào)道l引，在300以下用ArF激光得到含2wtAl的平均可見(jiàn)光透過(guò)率犬于90，電阻率為143

12、10也ncm的摻A1的znO薄膜(AzO)。用PLD法制得的摻Ga的znO薄膜(GzO)不僅電學(xué)性能良好，且表面光滑，適用于高精度電極，如液晶顯示等，透光率大于90，最低電阻率208 x 10一，Qcm，此膜只有微小的表面不平整，粗糙度為08姍。,23溶膠一凝膠法,23溶膠一凝膠法 這種方法無(wú)需真空設(shè)備，因而大幅度降低了制作成本，簡(jiǎn)化了工藝，且易于控制薄膜組分，生成的薄膜對(duì)襯底的附著力強(qiáng)。在較低的溫度下直接制成涂層，退火得到多晶結(jié)構(gòu)，是一種新的邊緣技術(shù)。它的合成溫度較低(約300)，材料均勻性好，與CVD及濺射法相比，有望提高生產(chǎn)效率，已受到電子材料行業(yè)的重視。采用提拉或甩膠法將含鋅鹽類的有機(jī)

13、溶膠均勻涂附在基片上，以制取znO薄膜。溶膠的制備主要是利用鋅的可溶性無(wú)機(jī)鹽或有機(jī)鹽如醋酸鋅，在催化劑冰醋酸及穩(wěn)定劑乙醇胺等作用下，溶解于乙二醇獨(dú)甲醚等有機(jī)溶劑中而形成。涂膠一般在提拉設(shè)備或在勻膠機(jī)上進(jìn)行。每涂完一層后，即置于200450下預(yù)燒，并反復(fù)多次，直至達(dá)到所需厚度。最后在500800行退火處理，但PH值大小對(duì)薄膜性能有決定性影響。Karnalasall M等人【引通過(guò)改善鋅醇鹽在多種醇的溶解能力途徑改進(jìn)了溶膠，使用二水醋酸鋅、乙烯乙二醇、n一丙基乙醇與丙三醇混合溶劑制成了均勻透明的溶膠，得到了透明無(wú)裂紋的ZnO薄膜。這種方法還可在溶膠中添加各種必要的摻雜劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO薄膜的多元素?fù)?/p>

14、雜，非常適用于大面積太陽(yáng)電池中電極的制備。,24 化學(xué)氣相沉積,主要包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、大氣壓中的化學(xué)氣相沉積(Atmospheric CVD)和燃燒化學(xué)氣相沉積(Combustion CVD)等方法?；瘜W(xué)氣相沉積是利用高溫將znO及其摻雜氧化物蒸發(fā)氣化，再以高純度的H：作為載氣體輸運(yùn)至沉積區(qū)，在基片上沉積成薄膜的方法。znO及其摻雜氧化物放置于蒸發(fā)區(qū)后需先預(yù)熱，以便摻雜物質(zhì)的均勻混合?；胖糜诜磻?yīng)沉積室中垂直H：流向。沉積后，znO薄膜可在真空或各種氣氛(如Ar、H：、空氣等)中進(jìn)行預(yù)熱及退火處理，以改善其電性能。金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積是以含鋅

15、有機(jī)鹽作為先驅(qū)體在一定溫度和氣壓條件下氣化、分解、沉積znO薄膜。一般使用鋅有機(jī)源與含氧的穩(wěn)定化合物氣體，如NOz、cO：、H：O或N：O反應(yīng)沉積，而Zn的有機(jī)源多采用二甲基鋅(DMzn)或二乙基鋅(DEZn)。采用DEzn與CO：反應(yīng)的較多，這有可能是因?yàn)檫@兩種化合物反應(yīng)比較穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)中等離子體的產(chǎn)生是至關(guān)重要，因?yàn)镃O：是惰性氣體，在等離子體作用下使氧離化出來(lái)，與DEzn生成Zn0，沉積到襯底表面。影響薄膜的主要因素是襯底溫度、反應(yīng)壓強(qiáng)和等離子體電離電壓。反應(yīng)壓強(qiáng)約為10。2Pa，電離電壓約1845kV。當(dāng)電壓為35kV時(shí)可生長(zhǎng)出高度c軸取向的Zn0薄膜，其半高寬僅為03左右，比使用磁控濺

16、射法制備的znO薄膜要好得多，且表面有足夠的平整度；在380 nm的紫外波段和620 nm為中心的較寬波段有較強(qiáng)的光激發(fā)發(fā)光強(qiáng)度。,在富氧條件下生長(zhǎng)的ZnO膜有可能出現(xiàn)立方相的ZnO晶體，這將導(dǎo)致陰極發(fā)光光譜的能量向高能端(即紫外段)移動(dòng)。PEcVD方法的優(yōu)點(diǎn)是生長(zhǎng)過(guò)程中穩(wěn)定性較好，表面平整有利于在sAw方面的應(yīng)用。但其室溫陰極發(fā)光光譜不單一，存在紫外和綠光兩個(gè)發(fā)光帶，不利于制作單色發(fā)光器件。MOCVD是一種異質(zhì)外延生長(zhǎng)的常用方法，利用MOCvD系統(tǒng)可以生長(zhǎng)出高質(zhì)量的znO薄膜。其沉積過(guò)程中的壓強(qiáng)一般為O813Pa，本底壓強(qiáng)非常低。但使用MOcVD法生長(zhǎng)znO薄膜對(duì)襯底的溫度均勻性要求較高，但

17、存在一個(gè)嚴(yán)重不足的問(wèn)題，鋅源與氧在末到襯底以前，就開(kāi)始反應(yīng)，造成腔壁污染，形成的微粒進(jìn)入ZnO薄膜，降低了薄膜的質(zhì)量。因此需要盡可能改善氣體輸入的位置及限制其氣相反應(yīng)。燃燒化學(xué)氣相沉積法是一種開(kāi)放的、在大氣中進(jìn)行的氣相沉積工藝。先將先驅(qū)體溶解于可燃燒的溶劑中，然后用泵加壓輸送，并混入O：，使其在基片附近燃燒沉積。沉積過(guò)程可通過(guò)調(diào)節(jié)基片溫度、先驅(qū)體濃度及組成、氣溶膠大小、溶劑的組成及沉積范圍等來(lái)加以控制。最大特點(diǎn)是無(wú)需真空反應(yīng)室。,25 噴霧熱分解法,該法是利用噴霧熱分解裝置將醋酸鋅的水溶液或有機(jī)溶液噴霧沉積于基片上，并在高溫下分解形成znO薄膜的工藝，該工藝較簡(jiǎn)單，摻雜物質(zhì)可按一定化學(xué)配比與醋

18、酸鋅一起溶解于溶劑中，比較容易實(shí)現(xiàn)化學(xué)劑量摻雜。醋酸鋅溶液的濃度為0109M，基片溫度為575773，載氣體為壓縮空氣。研究表明，醋酸鋅溶液濃度對(duì)ZnO薄膜的定向生長(zhǎng)有顯著的影響，濃度越高，znO薄膜的c軸定向生長(zhǎng)特征越強(qiáng)。,3 利用中頻脈沖電源和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法制備ZnO薄膜材料,3.1 實(shí)驗(yàn)部分 實(shí)驗(yàn)采用自行研制的中頻脈沖電源和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法進(jìn)行 大量ZnO 和ZAO 薄膜沉積實(shí)驗(yàn)以便能探討一種新的制膜技術(shù),3.1.1 MF-PECVD 實(shí)驗(yàn)裝置圖,整套裝置由爐體 真空系統(tǒng)鋅源室組成具體裝置圖如圖3.1 所示真空爐體由頂蓋爐體和底座組成形成一個(gè)密封容器爐體做成夾層

19、充以流動(dòng)冷卻水避免密封件被高溫?fù)p壞底座上安裝有陰極熱電偶溫度計(jì)進(jìn)氣口和抽氣口等裝置動(dòng)態(tài)平衡的供氣和抽氣系統(tǒng)由供氣單元和抽氣單元二部分組成保證工藝要求所需的真空度不同于以往PECVD 系統(tǒng) 本實(shí)驗(yàn)用12cm2cm 的 鋁板代替爐體作為一電極醋酸鋅在常溫下是固體生長(zhǎng)膜時(shí)使其溶于去離子水通過(guò)加熱提高其蒸氣壓為避免蒸汽在管道傳輸過(guò)程中在管壁凝結(jié)在通氣管外壁纏繞上保溫帶以維持一定的溫度,3.1.2 PECVD 中頻電源,(2)系統(tǒng)使用中頻電源各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo) 輸出電壓幅度0 900V 可調(diào) 頻率150kHz 功率1000W 占空比30 60 (3)參與反應(yīng)試劑與氣氛 高純氧氣(99.999% 武鋼氧氣廠)

20、氬氣99.9 武鋼氧氣廠醋酸鋅(Zn(CH3COO)2 分析純99.9% 天津市科密歐化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心) 六水合三氯化鋁(AlCl36H2O,分析純99.9%,中南化工試劑有限公司),3.1.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)分兩部分進(jìn)行。第一部分是在普通鈉鈣載玻片上沉積ZnO 薄膜。第二部分是在普通鈉鈣載玻片上沉積ZAO 。薄膜考察工藝參數(shù)對(duì)薄膜品質(zhì)的影響電壓使用本電源時(shí)420V 左右起輝最高可調(diào)電壓為900V 據(jù)此設(shè)定范圍為450V 900V電流根據(jù)電源情況和所需襯底溫度設(shè)定范圍為0.9 1.8A襯底溫度考慮所需襯底溫度結(jié)合電源情況設(shè)定范圍為150 550_沉積時(shí)間通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)驗(yàn)具體探討情況設(shè)定

21、范圍為60 210min反應(yīng)室總氣壓通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)結(jié)合真空系統(tǒng)的實(shí)際情況設(shè)定討論范圍為150 500Pa鋅源溫度通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)設(shè)定范圍為50 80_鋅源濃度通過(guò)初步實(shí)驗(yàn)設(shè)定濃度值為0.5/0.75/1.0mol/l摻雜量根據(jù)理論分析和初步實(shí)驗(yàn)設(shè)定濃度值為1/2/3at.%,上述所選擇的實(shí)驗(yàn)條件列入表3.1中 表3.1 主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)取值范圍 實(shí) 驗(yàn) 參 數(shù) 取 值 范 圍 實(shí) 驗(yàn) 參 數(shù) 取 值 范 圍 電壓(V) 450 900 反應(yīng)室總氣壓(Pa) 150 500 電流(A) 0.9 1.8 鋅源溫度_ 50 80 襯底溫度(_) 150 550 鋅源濃度(mol/l) 0.5/0.75/1.0

22、 沉積時(shí)間min 60 210 Al 摻雜量(at.%) 1/2/3,實(shí)驗(yàn)采用MF-PECVD 法制備ZnO 和ZAO 薄膜用去離子水作溶劑醋酸鋅(Zn(CH3COO)2)為鋅源配制鋅源溶液制備ZAO 薄膜時(shí)用AlCl36H2O 作摻雜劑第一部分實(shí)驗(yàn)中考察反應(yīng)室總氣壓沉積時(shí)間鋅源濃度對(duì)薄膜吸光ZnO 薄膜的制備摻雜工藝研究16度的影響比較沉積薄膜前后透射率的變化考察襯底溫度反應(yīng)室總氣壓鋅源濃度對(duì)成膜速率的影響考察襯底溫度對(duì)薄膜表面顏色均勻度附著力晶型的影響考察ZnO 薄膜的光催化作用通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)得出MF-PECVD 法制備ZnO 薄膜的最佳工藝參數(shù)第二部分實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用正交設(shè)計(jì)法考察襯底溫度沉積時(shí)

23、間鋅濃度摻雜量對(duì)ZAO 薄膜透射率的影響得出MF-PECVD法制備ZAO 薄膜的最佳工藝參數(shù)最后通過(guò)比較ZnO 與ZAO 薄膜的透射率分析了摻雜影響薄膜透射率的原因。,3.1.5 制備流程,3.1.5.1 實(shí)驗(yàn)前襯底的準(zhǔn)備 載玻片的處理將普通鈉鈣載玻片切割成2.5cm1.2cm 大小用洗衣粉清洗后用去離子水洗凈，再用乙醇浸泡清洗去離子水洗滌兩次后烘干待用。 3.1.5.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 將載玻片放在下極板上。將真空系統(tǒng)抽真空，極限真空為35Pa 壓，升率為20Pa/h 。調(diào)節(jié)電源電壓充入氬氣，濺射約10min， 開(kāi)始充入反應(yīng)氣氛鋅源調(diào)節(jié)反應(yīng)氣氛流量達(dá)到實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的爐體內(nèi)氣壓進(jìn)行薄膜沉積實(shí)驗(yàn)由于鋅源

24、升溫需要一段時(shí)間一般提前將鋅源加熱至預(yù)定溫度以保證在反應(yīng)過(guò)程中鋅源能保持恒定地供給記錄實(shí)驗(yàn)參數(shù)數(shù)據(jù)襯底溫度由溫度傳感器測(cè)量升溫時(shí)間根據(jù)預(yù)先設(shè)定電壓而有所不同一般保持在 30 40min 沉積時(shí)間是指溫度恒定后的保溫時(shí)間由于溫度傳感器所測(cè)襯底溫度和真實(shí)襯底溫度有一定的溫度差約為100_ 實(shí)驗(yàn)中所討論的襯底溫度是指溫度傳感器所測(cè)溫度。,薄膜的性能應(yīng)用及主要表征方法概述,(1)ZnO薄膜的性能及應(yīng)用 (2) ZnO薄膜的主要表征方法概述,（1） 光電特性,ZnO薄膜是直接帶隙半導(dǎo)體，具有很好的光電性質(zhì)，對(duì)紫外光有較為強(qiáng)烈的吸收，在可見(jiàn)光區(qū)，光透過(guò)率接近90%。ZnO薄膜的光電特性與其化學(xué)組成、能帶結(jié)

25、構(gòu)、氧空位數(shù)量及結(jié)晶密度相關(guān)，在適當(dāng)?shù)闹苽錀l件及摻雜條件下，ZnO薄膜表現(xiàn)出很好的低阻特征，使其成為一種重要的電極材料，如太陽(yáng)能電池的電極、液晶元件電極等。用氫等離子處理的ZnO:Ga薄膜也可用于太陽(yáng)能電池，=13%。高的光透過(guò)率和大的禁帶寬度使其可作太陽(yáng)能電池窗口材料、低損耗光波導(dǎo)器件及紫外光探測(cè)器等。而它的發(fā)光性質(zhì)及電子輻射穩(wěn)定性則使其成為一種很好的單色場(chǎng)發(fā)射低壓平面顯示器材料，并在紫外光二極管激光器等發(fā)光器件領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。尤其是ZnO光泵浦紫外激光的獲得和自形成諧振腔的發(fā)現(xiàn)更加激起了人們對(duì)其研究的熱情。同時(shí)由于ZnO對(duì)光波具有的選擇性(可見(jiàn)光區(qū)的高透射性和紅外光區(qū)的高反射性)，可

26、作為一種熱鏡材料來(lái)制成低輻射幕墻玻璃。,(2)氣敏特性,ZnO是一種典型的表面控制型半導(dǎo)體氣敏材料，ZnO薄膜光電導(dǎo)隨表面吸附的氣體種類和濃度不同會(huì)發(fā)生很大變化。依據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，ZnO薄膜可用來(lái)制作表面型氣敏器件，通過(guò)摻入不同元素，可檢測(cè)不同的氣體，如未摻雜的ZnO對(duì)還原性、氧化性氣體具有敏感性，摻Pd、Pt的ZnO對(duì)可燃性氣體具有敏感性，摻Bi2O3、Gr2O3、Y2O3等的ZnO薄膜對(duì)H2具有敏感性，而摻La2O3、Pd或V2O5的ZnO對(duì)酒精、丙酮等氣體表現(xiàn)出良好的敏感性。ZnO薄膜經(jīng)某些元素?fù)诫s后對(duì)有害性氣體、可燃性氣體、有機(jī)蒸汽具有良好的敏感性。利用這些性質(zhì)，可以制成各種氣敏傳感器應(yīng)用

27、于健康檢測(cè)、監(jiān)測(cè)人體內(nèi)的酒精濃度、監(jiān)測(cè)大氣中的有害氣體含量等。,(3) 壓電特性,ZnO薄膜具有優(yōu)良的壓電性能，如高機(jī)電耦合系數(shù)和低介電常數(shù)，是一種用于體聲波（BAW）尤其是表面聲波（SAW）的理想材料。SAW要求ZnO薄膜具有c軸擇優(yōu)取向，電阻率高，從而有高的聲電轉(zhuǎn)換效率；且要求晶粒細(xì)小，表面平整，晶體缺陷少，以減少對(duì)SAW的散射，降低損耗。ZnO在低頻方面，主要用于傳感器，但存在直流電致?lián)p耗；而在高頻方面，具有良好的高頻特性，隨著數(shù)字傳輸和移動(dòng)通信信息傳輸量的增大，SAW要求超過(guò)1GHz的高頻，因此ZnO壓電薄膜在高頻濾波器、諧振器、光波導(dǎo)等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。這些器件在大存量、高速率

28、光纖通信的波分復(fù)用、光纖相位調(diào)制、反雷達(dá)動(dòng)態(tài)測(cè)頻、電子偵聽(tīng)、衛(wèi)星移動(dòng)通信、并行光信息處理等民用及軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣泛。日本松田公司已在藍(lán)寶石基片上外延ZnO薄膜制作出低損耗的1.5GHz的高頻SAW濾波器。,(4)壓敏特性,ZnO薄膜的壓敏性質(zhì)主要表現(xiàn)在非線性伏安特征上，ZnO壓敏材料在外加電壓作用下，存在一個(gè)閾值電壓，即壓敏電壓，當(dāng)外加電壓大于壓敏電壓時(shí)，就進(jìn)入擊穿區(qū)，此時(shí)外加電壓的微小變化會(huì)導(dǎo)致電流的迅速增大，變化幅度由非線性系數(shù)（）來(lái)表征。ZnO因其非線性系數(shù)高，電涌吸收能力強(qiáng)，在電子電路等系統(tǒng)中被廣泛用來(lái)穩(wěn)定電流，抑制電涌及消除火花。由于集成電路的快速發(fā)展，對(duì)壓敏電阻也越來(lái)越要求低

29、壓化和小功率化。而具有高非線性系數(shù)值、壓敏電壓低于5V的壓敏電阻對(duì)于超大規(guī)模集成電路變得越來(lái)越重要。,2. ZnO薄膜的主要表征方法概述,（1） UV-vis 分光光度計(jì)法 檢測(cè)玻璃襯底上鍍膜后的透射率和吸光度考察ZnO 和ZAO 薄膜的光學(xué)特性同時(shí)根據(jù)吸收峰的位置計(jì)算ZnO 薄膜的禁帶寬度采用上海第三分析儀器廠生產(chǎn)的721 型分光光度計(jì)檢測(cè)掃描波長(zhǎng)為350 800nm,（2） XRD 檢測(cè)法,XRD 檢測(cè)的主要目的，在于確定ZnO 薄膜的晶面取向，從而考察襯底溫度對(duì)ZnO 薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響。利用X 射線衍射法，進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析主要是利用X 射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是大量的原子散射波相互干涉的結(jié)果，每一種物質(zhì)都有其特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括點(diǎn)陣類型晶胞大小，晶胞中原子(離子或分子)的數(shù)目及其位置。而這些參數(shù)在X 射線衍射圖譜上均有所反映。多晶物質(zhì)衍射線條的數(shù)目位置及強(qiáng)度就像人的指紋一樣是某種物質(zhì)的特征，因而可以成為鑒別物相的標(biāo)志。X 射線定性分析就是比較被測(cè)定試樣和已知物質(zhì)的衍射圖譜。若試樣的衍射譜中含有某已知物質(zhì)的譜圖，即可判定該樣中含有某種物質(zhì)現(xiàn)在應(yīng)用的己知物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)圖譜是JCPDS 的粉末衍射卡片組(PDF) 憑借字母順序索引或Hanawat 索引找到相應(yīng)的