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zno基薄膜制备及性能研究

ZnO基薄膜制备及性能研究

作者：仲召进大连交通大学

学位级别：硕士

本论文主要以获得具有自陷光功能及优异光电性能的zno基光电玻璃及其制备工艺为宗旨,通过调节工艺参数制备优异光电性能的zno:Al（AZO）薄膜、zno:Ga（GZO）薄膜,重点研究与讨论了工作压强、射频功率占比及溅射功率等参数变化对zno基薄... 详细信息

本论文主要以获得具有自陷光功能及优异光电性能的zno基光电玻璃及其制备工艺为宗旨,通过调节工艺参数制备优异光电性能的zno:Al（AZO）薄膜、zno:Ga（GZO）薄膜,重点研究与讨论了工作压强、射频功率占比及溅射功率等参数变化对zno基薄膜结构、透光率、电阻率及生长形态的影响,并将工艺放大至磁控溅射中试线,获得了光电性能优良的AZO薄膜、GZO薄膜;之后,采用湿法刻蚀法、微结构模板法制备具有自陷光功能的zno基光电玻璃。研究了不同工艺参数提供的能量对AZO薄膜、GZO薄膜结构的影响,通过SEM、XRD、接触角仪、霍尔效应检测仪、色差计以及紫外分光光度计等手段的分析,发现工作压强对AZO薄膜生长结构、薄膜颗粒尺寸、薄膜亲水性有较大影响;同时发现射频功率占比对AZO薄膜生长方式有很大影响,射频功率占比增加,提高了沉积粒子的解离,促进AZO薄膜结晶度和致密性相应变好,导电性能及透光性能均能得到改善;发现溅射功率对GZO薄膜沉积动能影响较大,溅射功率增加,薄膜电阻率下降、光学带隙展宽,且GZO薄膜的导电性能好于AZO薄膜。同时通过磁控溅射中试线获得性能优良且稳定的zno基薄膜,采用湿法刻蚀法、微结构模板法实现了zno基薄膜表面微结构的调控,获得了具有自陷光功能的zno基光电玻璃。

关键词： zno基薄膜自陷光湿法刻蚀微结构模板法

zno基薄膜及其紫外光电探测器的制备和特性研究

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ZnO基薄膜及其紫外光电探测器的制备和特性研究

作者：赵亚军长春理工大学

学位级别：硕士

在室温下,ZnMgO薄膜材料的禁带宽度可在3.3eV～7.8eV范围内调节。又由于这种半导体材料分布广泛、制备方法多以及抗辐射能力强,因此,近几年人们越来越关注这种材料的研究及其发展方向。本论文主要采用射频磁控溅射的方法来生长zno薄膜和... 详细信息

在室温下,ZnMgO薄膜材料的禁带宽度可在3.3eV～7.8eV范围内调节。又由于这种半导体材料分布广泛、制备方法多以及抗辐射能力强,因此,近几年人们越来越关注这种材料的研究及其发展方向。本论文主要采用射频磁控溅射的方法来生长zno薄膜和ZnMgO合金薄膜。并在此前提下,使用光刻工艺的方法制备出具有MSM结构的zno和ZnMgO紫外光电探测器,并对薄膜和探测器的性能进行了研究。主要研究了射频磁控溅射的方法生长的zno基薄膜的工艺条件对薄膜性能的影响,重点讨论溅射功率对薄膜性能的影响;在此基础上,又研究了光刻工艺后,探测器表面的形貌,以及zno基紫外光电探测器的光电性能,并研究了表面处理提高探测器性能的原理。

关键词：射频磁控溅射 zno基薄膜 MSM结构紫外光电探测器

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脉冲激光沉积法制备zno基薄膜研究进展

量子电子学报 2006年第1期23卷 1-9页

作者：董伟伟陶汝华方晓东中国科学院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

作为一种新型的Ⅱ-Ⅵ半导体材料, zno具有优良的光学和电学性能,在紫外光发射器件、自旋功能器件、气体探测器、表面声波器件等领域有着广阔的应用前景。首先介绍了zno材料和脉冲激光溅射法的一些相关内容,然后从材料制备角度着重阐述... 详细信息

作为一种新型的Ⅱ-Ⅵ半导体材料, zno具有优良的光学和电学性能,在紫外光发射器件、自旋功能器件、气体探测器、表面声波器件等领域有着广阔的应用前景。首先介绍了zno材料和脉冲激光溅射法的一些相关内容,然后从材料制备角度着重阐述了目前利用脉冲激光沉积法(PLD)制备zno基薄膜的若干重要研究方向,例如p型掺杂、 p-n结的制备、 Mg掺杂、 Cd掺杂和磁性离子掺杂等。

关键词：激光技术半导体材料脉冲激光沉积法 zno基薄膜

zno薄膜生长初期形貌以及zno基薄膜的光学性质

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ZnO薄膜生长初期形貌以及ZnO基薄膜的光学性质

作者：闫益苏州大学

学位级别：硕士

zno是一种新型的半导体材料,具有具有较大的禁带宽度(～3.37eV)和较大的激子结合能(约60meV),这些特点使得zno能够在光电领域广泛应用,从而引起了研究者广泛的兴趣。尤其是近年来,许多有关稀磁半导体方面的报道都称过渡金属掺杂zno有可... 详细信息

zno是一种新型的半导体材料,具有具有较大的禁带宽度(～3.37eV)和较大的激子结合能(约60meV),这些特点使得zno能够在光电领域广泛应用,从而引起了研究者广泛的兴趣。尤其是近年来,许多有关稀磁半导体方面的报道都称过渡金属掺杂zno有可能作为一种优良的材料在自旋电子学领域被应用,这更加使zno成为一种重要的有广阔应用前景的材料,从而也使zno成为更多研究者瞩目的焦点。本论文通过射频磁控溅射的方法,制备了zno薄膜,并对样品进行退火处理,通过XRD,SEM,TEM等测试手段分析了薄膜的结构和表面状况,研究了退火对薄膜结构和光致发光性质的影响。本论文也制备了Co掺杂zno薄膜,通过XRD,PL谱,紫外-可见投射光谱和spuid的测试研究了Co掺杂对zno薄膜的结构,光学和磁学性质的影响。研究结果表明,氧化锌薄膜的生长方式受沉积条件影响,成膜初期,薄膜的表面形貌受到沉积时基片温度和基片表面微结构的影响,当沉积温度不是很高时,薄膜呈现分形生长,并且分形薄膜在不同的基片上呈现不同的形貌。本论文采用磁控溅射的方法制备晶体结构良好的zno薄膜。退火处理对样品的结构和光致发光性质产生影响。Co掺杂对zno薄膜的晶体结构和PL性质也造成影响,随着Co的掺入样品的XRD衍射峰位发生偏移,PL谱也随着掺杂量的增加而使发光强度有所改变。本论文也研究了Co掺杂zno薄膜的磁学性能,使用超导量子干涉仪在5K温度下测量了薄膜的M-H曲线,测量结果表明Co掺杂zno不具有明显的铁磁性。

关键词： zno基薄膜溅射结构光学性质

氢处理zno基薄膜的光电性能分析和氢相关缺陷作用机理

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氢处理ZnO基薄膜的光电性能分析和氢相关缺陷作用机理

作者：钟晓伟深圳大学

学位级别：硕士

本论文采用射频磁控溅射法,用两种不同的途径制备zno基透明导电薄膜:(1)分别在通氧和未通氧气氛中制备zno薄膜和zno:Al(AZO)薄膜,随后将薄膜在Ar+H中进行退火处理;(2)在Ar+H气氛中直接制备zno基薄膜。利用XRD、霍尔效应、XPS、PL、透射... 详细信息

本论文采用射频磁控溅射法,用两种不同的途径制备zno基透明导电薄膜:(1)分别在通氧和未通氧气氛中制备zno薄膜和zno:Al(AZO)薄膜,随后将薄膜在Ar+H中进行退火处理;(2)在Ar+H气氛中直接制备zno基薄膜。利用XRD、霍尔效应、XPS、PL、透射光谱等测试表征手段,分析了薄膜的晶体结构、光电性能、缺陷态以及元素的化学态。在此基础上,对H相关缺陷态影响薄膜性能的机理进行了深入分析。研究了H退火对不同气氛制备的zno薄膜性能的影响。H退火前后,zno薄膜均为c轴择优取向的六方纤锌矿结构,H退火可以显著改善薄膜的结晶质量。H退火未对薄膜在可见光区的透过率产生明显影响,所有薄膜的平均透过率都大于85%。通氧制备的zno薄膜以O原子为终止面(O-face),薄膜中存在较多的吸附氧和O、Vn等本征缺陷,它们都起到受主的作用,受主的补偿和散射作用导致薄膜导电性不好。退火后,H将钝化上述受主,造成吸附氧的脱附、形成复合体(如Vn-H)和O逸出等,同时薄膜结晶质量的提高也会造成迁移率的增大,因此薄膜的导电性能大为改善。未通氧制备的zno薄膜为以Zn原子为终止面(Zn-face),薄膜中的吸附氧和O等受主必然会比较少,因此薄膜具有较好的导电性。H退火处理后薄膜中会产生更多的受主Vn,因此薄膜的导电性能变差。研究了H退火对不同气氛制备的AZO薄膜性能的影响。H退火未对薄膜的结晶质量和透过率产生明显影响。H退火后,通氧制备的AZO薄膜的电阻率明显降低,是H对受主的钝化作用改善了薄膜的导电性能,这点与zno薄膜的结果一致。对未通氧制备的AZO薄膜,H退火后薄膜的电阻率基本保持不变,这点与zno薄膜的结果不同。原因是Al掺杂造成了薄膜极性的改变,导致H退火后薄膜中不会产生大量的受主Vn,同时薄膜中的本底载流子浓度较高,H对Vn的钝化作用不会对薄膜的电学性能造成明显影响。虽然H退火后通氧制备的AZO薄膜的导电性得到极大的改善,却依然无法超越未通氧环境下制备的AZO薄膜。研究了H流量比对zno和AZO薄膜性能的影响。制备过程通氢对zno薄膜的结晶质量影响不大,却可导致AZO薄膜的结晶质量变差。所有通氢制备的薄膜在可见光范围透过率均大于85%。通氢后zno、AZO薄膜的电阻率都出现大幅降低。研究表明,制备过程通氢并没有影响薄膜中的Al含量和Al、Zn的化学态,H作为浅施主也不可能大幅改善薄膜导电性,仍然是H钝化受主的作用造成薄膜导电性能的改善。制备过程通氢相比H退火而言,能更有效地降低薄膜的电阻率。原因可能是制备过程通氢更有利于H深入薄膜内部,钝化受主,改善薄膜电学性能。

关键词：磁控溅射 zno基薄膜 H相关缺陷态光电性能

X射线反射法分析zno基薄膜的厚度、密度和表面粗糙度

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理化检验（物理分册） 2010年第12期46卷 757-760页

作者：徐光亮赵德友刘桂香西南科技大学材料科学与工程学院新材料研究所绵阳621010

采用X射线反射法(XRR)测试了在SiO_2玻璃衬底上磁控溅射沉积的单层zno基薄膜的反射强度,得到了反射强度随掠入射角变化的曲线;讨论了薄膜厚度、密度和表面粗糙度与反射曲线的关系,最后通过拟合XRR曲线获得了所制备薄膜的厚度、密度和表... 详细信息

采用X射线反射法(XRR)测试了在SiO_2玻璃衬底上磁控溅射沉积的单层zno基薄膜的反射强度,得到了反射强度随掠入射角变化的曲线;讨论了薄膜厚度、密度和表面粗糙度与反射曲线的关系,最后通过拟合XRR曲线获得了所制备薄膜的厚度、密度和表面粗糙度分别为55.8 nm,5.5 g·cm^(-3)和1.7 nm,与利用XRR数据直接计算出的薄膜厚度56.2 nm仅相差0.4 nm,表面粗糙度也与AFM测试的结果基本相符。可见XRR能无损伤、精确且快速地测试薄膜试样的厚度、密度和表面粗糙度等参数。

关键词： X射线反射 zno基薄膜薄膜参数曲线拟合

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zno基透明导电薄膜的制备工艺与性能研究

ZnO基透明导电薄膜的制备工艺与性能研究

作者：郭胜利景德镇陶瓷大学

学位级别：硕士

透明导电薄膜的应用遍及太阳能电池、透明薄膜晶体管和平面液晶显示器等领域,其中zno基透明导电薄膜光电特性优良,便于获取原料,无毒低价,在光电领域更是有着诸多实际和潜在的应用。由于zno基薄膜制备的方式和工艺对薄膜的光电性能有着... 详细信息

透明导电薄膜的应用遍及太阳能电池、透明薄膜晶体管和平面液晶显示器等领域,其中zno基透明导电薄膜光电特性优良,便于获取原料,无毒低价,在光电领域更是有着诸多实际和潜在的应用。由于zno基薄膜制备的方式和工艺对薄膜的光电性能有着十分重要的影响,因此本文研究内容有:(1)采用溶胶-凝胶法制备AZO薄膜,研究退火温度、退火气氛对AZO薄膜光电性能的影响。在550℃以上的退火温度中,所制备的AZO薄膜样品表面致密均匀,经过650℃温度退火的AZO薄膜,其在400nm-900nm区域的光学平均透过率超过85%,同时具有良好的紫外截止性能。随着退火温度的升高,衍射角在34°附近的(002)峰峰位逐渐增强,平均晶粒尺寸随之增大,样品的缺陷减少。在氮气氛围中退火的AZO薄膜样品比在空气中退火的薄膜样品具有更好的结晶性能,薄膜样品在可见光区域内的透过率比在空气中退火的薄膜样品有所提高,薄膜的光致发光强度也明显增强,且在2.68e V位置有明显的蓝光发光带,在2.97e V位置也有较为明显的蓝光发光带。薄膜的禁带宽度在氮气氛围退火后,有逐渐减小的趋向。(2)采用磁控溅射法制备WZO薄膜,研究了一般磁控溅射法和调制掺杂磁控溅射方法中不同的溅射气压对WZO薄膜光电性能的影响。采用一般磁控溅射法在石英薄膜衬底上沉积了WZO薄膜。不同溅射气压条件下制备的WZO薄膜,在适当的溅射气压条件下,W能有效地替位Zn进行掺杂,也改善了WZO薄膜的电学性能。但由于高浓度的载流子会对光子产生有效的复合吸收,这导致W掺杂的zno透明导电薄膜在1000～2500nm区域的红外波段的透过率明显下降。溅射气压分别在0.5Pa,1.0Pa,1.2Pa,1.4Pa制备的WZO薄膜样品中,薄膜的最高电阻率6.8′10Ω×cm,最低为3.97′10Ω×cm。随着溅射气压的增加,溅射粒子的平均自由程减小,W的掺杂效应由弱增强再减弱,所制备的薄膜样品的结晶取由34°附近的(002)转向36.35°附近的(101),后又转向(002)位置。溅射气压为1.2Pa的薄膜,其平均光学透过率在500nm～1000nm光谱区域可达85%以上,此时的薄膜电阻率最低,其值为3.9×10Ω×cm。调制掺杂磁控溅射方法中,通过控制两个溅射阶段气压变化,可控制W掺杂效果和薄膜质量,影响薄膜的载流子浓度和迁移率,进而影响了薄膜的电学性能和近红外光透过率。制备的WZO薄膜均具有明显的(002)和(101)衍射峰,随着第一阶段溅射气压的增加,样品的结晶取向呈现先由(002)向(101)转变,然后再由(101)向(002)转变。且在第一阶段溅射气压较低的情况下,有利于样品表面“类陨石坑”状绒面出现。所制备薄膜的最低电阻率为4.83×10Ω·cm。

关键词： zno基薄膜溶胶-凝胶法磁控溅射法光电性能掺杂

反应溅射制备高透明导电zno、FZO及AZO薄膜的研究

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反应溅射制备高透明导电ZnO、FZO及AZO薄膜的研究

作者：谢挺武汉科技大学

学位级别：硕士

zno基薄膜作为ITO薄膜最有可能的替代材料之一,得到了广泛关注。不同于常用的金属或氧化物靶材,本论文以Zn/zno、Zn/zno/ZnF2混合物以及表面粘贴A1片的Zn/zno混合物(Al@Zn/zno)为靶材,在基底温度(Ts)为150和300℃C,溅射气氛为Ar+O和Ar+... 详细信息

zno基薄膜作为ITO薄膜最有可能的替代材料之一,得到了广泛关注。不同于常用的金属或氧化物靶材,本论文以Zn/zno、Zn/zno/ZnF2混合物以及表面粘贴A1片的Zn/zno混合物(Al@Zn/zno)为靶材,在基底温度(Ts)为150和300℃C,溅射气氛为Ar+O和Ar+H下反应溅射制备zno、F掺杂zno(FZO)和A1掺杂zno(AZO)薄膜。通过干涉显微镜、XRD、Hall效应测试仪、紫外-可见分光光度计研究了 Ts以及02和H流量对薄膜结构及透明导电性能的影响。研究结果表明,三种薄膜厚度随着O流量增加而增加,但随着H流量增加而降低。Ts升高,Ar+H气氛中沉积的三种薄膜厚度减小,Ar+O气氛中沉积的三种薄膜厚度没有明显的变化。另外,尽管靶材中分别含有Zn、ZnF2、A1等成分,但三种薄膜的XRD图中均只检测到zno纤锌矿结构的特征峰。对于zno和FZO薄膜,当Ts为150℃时,只有通入合适流量的02或12,薄膜才能保持(002)择优取向、较高的结晶度以及较小的压应力,同时在薄膜中形成高浓度Vo和/或H1等缺陷,因此有效降低薄膜的电阻率,并保持高的透光率,从而达到较高的品质因子。相对于150℃,当Ts增加到300℃,薄膜结晶度提高,并始终保持强的(002)方向的择优取向;Ar+O气氛制备的薄膜导电性有所增加,因此其品质因子增强,但Ar+H气氛下制备薄膜的导电性反而降低,从而导致薄膜品质因子下降。对Ts=300℃C时制备的薄膜,同样,只有在合适的O或H流量下,薄膜保持较高的结晶度和透光性。总的来看,两种薄膜的禁带宽度主要由BM效应决定。对于AZO薄膜,Ar+H气氛下制备时,薄膜基本上为非晶态,并呈高阻态。在两种Ts下,随O流量增加,薄膜始终保持强的(002)择优取向,导电性能呈逐渐增强的趋势;当O流量高于一定值时,薄膜可以获得较高的透光率,并达到较高的品质因子。当Ts从150℃增加到300℃,薄膜的结晶度提高,但导电性未见明显提高。AZO薄膜禁带宽度主要由薄膜中受到的内应力决定。

关键词：靶材 zno基薄膜反应溅射 O2/H2流量基底温度透明导电性薄膜厚度结晶度

Ag纳米粒子共振增强的zno基紫外光电探测器的研究

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Ag纳米粒子共振增强的ZnO基紫外光电探测器的研究

作者：李萌长春理工大学

学位级别：硕士

第三代宽禁带(3.37 eV)半导体材料zno具有环境友好、缺陷密度低、抗辐射能力强等优点,被认为是制备紫外光电探测器的理想候选材料。针对zno基紫外光电探测器光吸收率较低的问题,我们将目光投向了利用金属局域表面等离子体来修饰紫外探... 详细信息

第三代宽禁带(3.37 eV)半导体材料zno具有环境友好、缺陷密度低、抗辐射能力强等优点,被认为是制备紫外光电探测器的理想候选材料。针对zno基紫外光电探测器光吸收率较低的问题,我们将目光投向了利用金属局域表面等离子体来修饰紫外探测器的方向上。金属局域表面等离子体具有高的空间局域特性和强的局域场增强效应,被认为是提高zno薄膜对光吸收效率有效手段之一。本论文旨在利用在紫外波段具有较高质量因子的Ag纳米粒子来修饰器件,主要研究成果如下:(1)从提高zno薄膜对光的吸收率角度入手,以传统MSM结构zno基紫外探测器为基础,在探测器的表面引入Ag纳米粒子来对器件进行修饰。通过改变溅射Ag纳米粒子的时间来对Ag纳米粒子的尺寸和密度进行调控,实现了对器件性能的优化。当溅射时间为15 s时,器件的响应度由0.20 A/W提升到0.33 A/W。这表明Ag纳米粒子局域表面等离激元共振频率能够与zno激子响应区的能量相匹配,有效地增强了薄膜对紫外光的吸收率。(2)从提升Ag纳米粒子修饰数量角度入手,通过在zno薄膜中嵌入了不同层数的Ag纳米颗粒来调控器件的性能。当薄膜中嵌入两层Ag纳米颗粒时,器件的响应度相比于zno基紫外探测器提升了8倍。以zno/Ag/zno/Ag/zno膜层结构的器件为基础,从局域表面等离子体在介质材料中有效穿透深度出发,通过调控两层Ag纳米粒子之间的跨距进一步优化器件的性能。当两层Ag纳米粒子间距为57.13 nm时,器件的响应度在相比于zno基紫外探测器提升了近10倍。并且器件的响应截止边发生红移,有效拓宽了探测范围,该实验有效地验证了局域表面等离子体倏逝波的传播特性。(3)从提升电极收集光生载流子能力角度入手,通过改变传统的器件结构,构筑了新颖的Mg0.24Zn0.76O/Au/zno三明治结构的双波紫外探测器,有效提高了电极收集光生载流子的能力。同时引入Ag纳米粒子对探测器进行修饰,并且调控了Ag纳米颗粒的修饰位置,结果表明Mg0.24Zn0.76O/Au/Ag NPs/zno结构的器件性能最优,Zn O层和Mg0.24Zn0.76O层的响应度相比于Mg0.24Zn0.76O/Au/zno结构的器件提升了3.8倍和4.2倍。以Mg0.24Zn0.76O/Au/Ag NPs/Zn O结构的器件为基础,进一步研究在Mg0.24Zn0.76O层包埋了不同深度的Ag纳米粒子对器件双层响应度峰值的影响,实现了双波段响应度可调控的高性能紫外光电探测器。

关键词： zno基薄膜紫外探测器局域表面等离子体三明治结构