吳思誠(chéng)，王 旋，范海波，鄭新亮，姚合寶，趙寶華

（1.西北大學(xué)物理學(xué)系，陜西 西安 710069）（2.金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西西安 710077）

0 引言

ZnO作為一種新興的半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為3.37 eV［1］，激子束縛能高達(dá)60 meV［2］，非常適合作為短波長(zhǎng)發(fā)光器件，且其生長(zhǎng)成本較低，適合大規(guī)模生長(zhǎng)［3，4］。制備ZnO薄膜的方法有很多，其中磁控濺射法制備的薄膜具有膜厚均勻，附著力強(qiáng)，生長(zhǎng)速率可控等優(yōu)點(diǎn)［5］。

硅襯底價(jià)格便宜，易于解理，并且具備良好的散熱性能［6］。當(dāng)前大部分的光電器件都是在硅襯底上集成，因此在硅襯底上生長(zhǎng)ZnO薄膜具有很大的實(shí)用價(jià)值。但是硅襯底和ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)完全不同，晶格常數(shù)相差很多。首先硅是立方晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為5.43 ?；ZnO則為六角鉛鋅礦結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)a為3.25 ?，c為5.21 ?。其次硅和ZnO的熱膨脹系數(shù)也有很大不同，溫度為300 K時(shí)ZnO（001）方向的熱膨脹系數(shù)a大約為5.0×10-6/K，而硅的熱膨脹系數(shù)a約為2.6×10-6/K［7］。所以想要在硅襯底上獲得高質(zhì)量的ZnO薄膜還有很大的困難，兩者之間存在很大的晶格失配和熱失配，極易形成位錯(cuò)和缺陷。因此可以采用增加緩沖層的辦法解決兩者之間晶格失配和熱失配過(guò)大的問(wèn)題。

Mo的晶格常數(shù)為3.15 ?，與ZnO相近，且Mo薄膜具有熱穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、光反射率高、電阻率低等特性［8］。因此Mo薄膜可以作為生長(zhǎng)ZnO薄膜的緩沖層。本文采用Mo薄膜作為Si上ZnO生長(zhǎng)的緩沖層材料，并對(duì)ZnO薄膜的晶體性能和發(fā)光性能進(jìn)行了分析對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前將Si襯底分別放入丙酮溶液、無(wú)水乙醇溶液、去離子水中超聲振蕩20 min，然后用氫氟酸刻蝕。Mo緩沖層的制備采用UPD450型直流磁控濺射設(shè)備，靶材選用歐萊公司的Mo金屬靶材，采用雙靶共濺射模式，濺射溫度為室溫、濺射電流為4.0 A、濺射時(shí)間為60 min、濺射氣壓為0.133 Pa、Ar氣流量為15 sccm。

ZnO薄膜的制備采用中科院沈陽(yáng)科儀有限公司生產(chǎn)的JGP-560型磁控濺射儀，濺射溫度為200℃、濺射時(shí)間為2 h、濺射氣壓為2.0 Pa、濺射功率為200 W、Ar氣流量為30 sccm。

2 結(jié)果與討論

采用日本島津公司的XRD-7000型X射線(xiàn)衍射儀分析薄膜的結(jié)晶性能。圖1為未添加Mo緩沖層的ZnO薄膜XRD圖譜，圖2為添加Mo緩沖層后ZnO薄膜的 XRD圖譜。可以看出，ZnO薄膜以（002）晶面方式擇優(yōu)排列。采用 Mo緩沖層后，ZnO/Mo/Si薄膜的（002）衍射峰強(qiáng)度大約為ZnO/Si薄膜的1.5倍，而其他的衍射峰強(qiáng)度有略微的降低。利用高斯擬合方法計(jì)算出了（002）衍射峰的半高寬，并利用謝樂(lè)公式計(jì)算出了薄膜的平均粒徑大小，結(jié)果見(jiàn)表1。采用了Mo緩沖層之后ZnO（002）峰的位置基本沒(méi)變，而半高寬則有明顯減小，對(duì)應(yīng)于平均晶粒尺寸的增大。

表1 2種樣品的（002）衍射峰位置、半高寬和平均粒徑

為了觀察采用Mo緩沖層后對(duì)ZnO薄膜表面形貌的影響，我們采用日本電子株式會(huì)社的 JSM-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）和日本精工的SPI3800-SPA-400型原子力顯微鏡（AFM）分別測(cè)試了ZnO/Si和ZnO/Mo/Si薄膜的SEM和AFM照片，分別為圖3、圖4、圖5、圖6。同時(shí)還分析了兩種薄膜的表面粗糙度均方根值，結(jié)果見(jiàn)表2。掃描電鏡截面照片顯示，兩種ZnO薄膜層的厚度分別為0.989 μm和1.050 μm。從圖中不難看出采用Mo緩沖層后薄膜的顆粒大小明顯增加，這與前面XRD測(cè)試結(jié)果相一致。AFM表面粗糙度測(cè)試發(fā)現(xiàn)采用了Mo緩沖層之后ZnO薄膜表面的粗糙度有所增加，這主要是因?yàn)橘?gòu)買(mǎi)的Si襯底經(jīng)過(guò)了打磨等工序，表面非常平整，而Mo緩沖層表面本身并不夠非常平整。同時(shí)由于采用了Mo緩沖層之后ZnO薄膜的厚度有所增加，薄膜的生長(zhǎng)速率增大，ZnO原子沉積到基底上的速率較快，這樣一來(lái)Zn、O原子沒(méi)有足夠的時(shí)間在基底表面進(jìn)行遷移，從而導(dǎo)致表面粗糙不平，反而對(duì)薄膜表面的粗糙度造成了負(fù)面的影響。

圖3 ZnO/Si薄膜表面和截面的SEM照片

表2 兩種薄膜對(duì)應(yīng)的均方根粗糙度值

利用日本日立公司的F-7000型熒光光譜儀，我們測(cè)試了ZnO/Si薄膜與ZnO/Mo/Si薄膜的光致發(fā)光譜，如圖7所示，其激發(fā)光源為220 nm的氙燈。從圖中可以看出在370 nm附近有一明顯發(fā)光峰，對(duì)應(yīng)于ZnO薄膜的帶邊激子發(fā)光峰。采用了Mo緩沖層之后該發(fā)光峰強(qiáng)度明顯增大，表明ZnO薄膜的發(fā)光性能有明顯的提升。聯(lián)系之前XRD測(cè)試的結(jié)果，可以推測(cè)ZnO薄膜的發(fā)光性能與薄膜的結(jié)晶質(zhì)量具有很大關(guān)系，較好的結(jié)晶質(zhì)量可以帶來(lái)較好的發(fā)光性能。

3 結(jié)論

利用Mo薄膜作為緩沖層在Si襯底上成功地生長(zhǎng)了ZnO薄膜，對(duì)比ZnO/Si薄膜和ZnO/Mo/Si薄膜的性能，發(fā)現(xiàn)添加Mo緩沖層后薄膜的結(jié)晶性獲得改善，晶粒尺寸有所增加，繼而可以提高薄膜的發(fā)光性能。不利的一方面，采用Mo緩沖層后會(huì)導(dǎo)致薄膜表面的粗糙度增加。后續(xù)工作中，應(yīng)該繼續(xù)探索Mo緩沖層的制備工藝，盡可能獲得比較高的表面平整度，以進(jìn)一步提高 ZnO外延層的表面平整度。

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