反应磁控溅射ZnO薄膜在Si基片上的生长行为

论文摘要

ZnO是一种新型的直接带隙宽带半导体，室温禁带宽度约为3.37eV，同时在室温下具有较大的激子束缚能（60meV），可以实现室温紫外激光发射。作为新一代的宽带半导体材料，ZnO具有优异的光学、电学及压电性能，在发光二极管、光探测器、电致荧光器件、透明导电薄膜、表面声波器件等诸多领域有着广泛的应用。自从1997年Tang等报导了ZnO薄膜的近紫外受激发射现象以后，ZnO再次成为当今半导体材料研究领域的热点。 本论文围绕“反应磁控溅射ZnO薄膜在Si基片上的生长行为”开展了一系列研究工作。主要研究结果如下： 1．在放电条件对等离子体成分的影响研究中发现：氧气流量比例决定着ZnO薄膜生长过程中金属Zn靶的溅射产额和成膜空间中的氧含量。微量氧气将导致溅射产额的显著增加。当氧气流量比例≥0.75％时，金属Zn靶的溅射产额随氧气流量比例的增加基本呈线性下降规律。当氧气流量比例介于10％～50％时，氧含量的变化相对平缓，有利于ZnO薄膜生长的稳定性控制。Zn原子发射光谱强度随沉积温度的变化，大体上可以分为三个阶段。当沉积温度低于250℃，Zn原子发射光谱强度基本保持不变；当沉积温度介于250-550℃时，Zn原子发射光谱强度随沉积温度的增加呈线性增加的趋势；当沉积温度大于550℃以后，Zn原子发射光谱强度随沉积温度的增加而迅速增加。 2．对ZnO薄膜的成核和生长动力学研究发现：ZnO薄膜的成核过程可分为三个阶段：第1阶段属于初期缺陷成核阶段，与Si基片表面的本征缺陷有关，本征缺陷的密度决定着ZnO薄膜的初期成核密度；第Ⅱ阶段属于低速率成核阶段，同时薄膜与基片之间的错配应力得以进一步释放；第Ⅲ阶段为二次成核阶段，载能粒子对基片表面的轰击是导致ZnO薄膜再次成核的重要原因。在薄膜生长后期的稳定生长阶段，薄膜的表面粗糙度明显降低，具有典型的柱状晶生长特征。在ZnO薄膜的成核和稳定生长之间，存在一个过渡生长阶段，使得ZnO薄膜的粗糙度显著降低。 3．针对提出的载能粒子的轰击效应，我们通过施加基片偏压验证上述模型，同时发现了施加偏压所导致的薄膜形核与生长行为的变化。在施加-100V偏压条件下，ZnO薄膜的成核过程可分为三个阶段：第Ⅰ阶段属于初期缺陷成核阶段，与Si基片表面的本征缺陷有关，本征缺陷的密度决定着ZnO薄膜的初期成核密度；第Ⅱ阶段属于二次成核阶段，薄膜的形核主要受高能粒子轰击产生的缺陷密度所支配；第Ⅲ阶段为生长阶段，薄膜生长行为取决于沉积粒子的能量分布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 ZnO的晶体结构
• 1.2 ZnO的基本特性及用途
• 1.2.1 紫外受激发射特性
• 1.2.2 透明导电特性
• 1.2.3 压电特性
• 1.2.4 作为GaN的缓冲层
• 1.2.5 其它特性
• 1.3 ZnO薄膜研究的科学意义、现状及进展
• 1.3.1 薄膜研究的科学意义
• 1.3.2 薄膜的研究现状
• 1.3.3 薄膜生长方面的研究进展
• 1.4 ZnO薄膜的制备技术概述
• 1.5 磁控溅射 ZnO薄膜的研究进展
• 1.6 本论文的研究目的和研究重点
• 2 ZnO薄膜的制备及表征方法
• 2.1 反应磁控溅射技术制备ZnO薄膜
• 2.1.1 反应溅射基本原理
• 2.1.2 薄膜沉积系统
• 2.1.3 薄膜基片处理方法
• 2.2 薄膜的表征方法
• 2.2.1 薄膜表面形貌的表征
• 2.2.2 薄膜微观结构的表征
• 2.2.3 薄膜的光学性能表征
• 2.3 放电条件对反应磁控溅射成膜空间中等离子体成分的影响
• 2.3.1 发射光谱随溅射时间的变化
• 2.3.2 发射光谱随沉积温度的变化
• 2.3.3 发射光谱随氧气流量比例的变化
• 2.4 本章小结
• 3 ZnO在Si基片表面的形核过程及物理机制
• 3.1 薄膜成核阶段表面形貌演化的研究
• 3.1.1 薄膜的拓扑形貌分析
• 3.1.2 薄膜的平整区域粗糙度分析
• 3.1.3 薄膜的平均厚度分析
• 3.1.4 薄膜的剖面分析
• 3.2 薄膜成核阶段表面形貌演化的动力学标度分析
• 3.3 薄膜生长阶段表面形貌的演化
• 3.4 薄膜生长阶段表面形貌演化的动力学标度分析
• 3.5 薄膜的微观结构分析
• 3.5.1 薄膜的XRD分析
• 3.5.2 薄膜的TEM分析
• 3.6 本章小结
• 4 基片偏压对ZnO薄膜成核机制的影响
• 4.1 固定偏压下薄膜表面形貌的演化
• 4.1.1 薄膜的拓扑形貌分析
• 4.1.2 薄膜的平整区域粗糙度分析
• 4.2 薄膜表面形貌演化的动力学标度分析
• 4.3 薄膜的微观结构分析
• 4.4 固定偏压下ZnO薄膜的光学性能
• 4.5 不同偏压对ZnO薄膜表面形貌的影响
• 4.6 不同偏压对ZnO薄膜微观结构的影响
• 4.7 本章小结
• 5 ZnO薄膜在Si（001）基体上的直接外延生长
• 5.1 薄膜的平面形貌分析
• 5.2 薄膜的界面分析
• 5.3 薄膜的XRD极图分析
• 5.4 薄膜在Si基片上的外延生长机制
• 5.5 本章小结
• 6 沉积温度对 ZnO薄膜生长行为的影响
• 6.1 沉积温度对 ZnO薄膜表面形貌的影响
• 6.1.1 薄膜拓扑形貌、表面岛密度及表面粗糙度分析
• 6.1.2 薄膜的RHEED分析
• 6.2 薄膜表面形貌演化的动力学标度行为
• 6.3 沉积温度对 ZnO薄膜微观结构的影响
• 6.3.1 薄膜 XRD分析
• 6.3.2 薄膜晶体取向分析
• 6.3.3 薄膜界面分析
• 6.3.4 薄膜 EPMA成分分析
• 6.3.5 薄膜 Raman谱分析
• 6.4 沉积温度对 ZnO薄膜光学性能的影响
• 6.5 ZnO薄膜的两步生长
• 6.5.1 低温沉积时间对 ZnO薄膜表面形貌的影响
• 6.5.2 低温沉积时间对 ZnO薄膜表面粗糙度的影响
• 6.5.3 低温沉积时间对 ZnO薄膜表面形貌演化标度的影响
• 6.5.4 低温沉积时间对 ZnO薄膜微观结构的影响
• 6.6 本章小结
• 7 工作气压对 ZnO薄膜生长行为的影响
• 7.1 工作气压对 ZnO薄膜表面形貌的影响
• 7.1.1 拓扑形貌以及表面岛密度分析
• 7.1.2 表面形貌演化的标度行为分析
• 7.2 工作气压对 ZnO薄膜微观结构的影响
• 7.2.1 薄膜平面 TEM分析
• 7.2.2 薄膜平面 HRTEM分析
• 7.2.3 薄膜取向关系分析
• 7.3 工作气压对 ZnO薄膜的光学性能的影响
• 7.4 本章小结
• 8 ZnO薄膜退火热力学行为
• 8.1 退火温度对 ZnO薄膜表面形貌的影响
• 8.1.1 薄膜拓扑形貌及表面粗糙度分析
• 8.1.2 薄膜表面形貌演化的标度行为
• 8.2 退火温度对 ZnO薄膜微观结构的影响
• 8.2.1 薄膜 XRD分析
• 8.2.2 薄膜 TEM形貌分析
• 8.2.3 薄膜的退火热力学行为
• 8.2.4 薄膜界面分析
• 8.3 退火温度对 ZnO薄膜 PL光谱的影响
• 8.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书