宋紅蓮，王鳳翔，陳志華，孫舒寧

(山東建筑大學(xué)理學(xué)院，山東 濟南 250101)

0 引言

氧化鋅是在室溫下具有寬禁帶(約為3.36eV)和高激子束縛能(60meV)的n型半導(dǎo)體材料[1]，屬于六方晶系，晶體結(jié)構(gòu)為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，由于其具有半導(dǎo)體性、電光性、介電性以及可見光區(qū)具有強透射性等性能，氧化鋅作為一種很好的發(fā)光材料廣泛應(yīng)用于太陽能

電池、氣敏傳感器、紫外探測器、光電器件、透明電極等諸多領(lǐng)域[2－5]。直至目前，已有很多方法來制備氧化鋅薄膜，例如，金屬有機物氣相沉積(MOCVD)[6]、 磁 控 濺 射 鍍 膜 (magnetron sputtering)[7－8]、分子束外延(MBE)[9]、脈沖激光沉積(PLD)[10]、溶膠凝膠法(sol－ gel)[11]等。而磁控濺射可應(yīng)用各種靶材在各種基片上濺射各種薄膜，而且具有沉積速率快，基片溫度低，對膜層損傷小，沉膜均勻、致密，純度高，附著力強等的優(yōu)點，使得磁控濺射鍍膜可以應(yīng)用于電子元器件及大規(guī)模集成電路、平板顯示器、光學(xué)及光導(dǎo)通訊、能源科學(xué)等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。近年來，上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料由于具有廣闊的應(yīng)用前景，如光學(xué)加密防偽、生物標(biāo)記等[12－13]，引起研究人員的極大興趣。而大量的上轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究中，Er3+/Yb3+共摻是最佳的摻雜組合，可以有效提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率。袁明指出在氧氬比為2∶8時，薄膜具有較好的納米晶粒和表面結(jié)構(gòu)[14]。最近有文獻(xiàn)報道應(yīng)用磁控濺射法制備GaInZnO薄膜時，隨著氧氣含量的增加，薄膜的透光率變小，光學(xué)帯隙變窄[15]。

文章是利用磁控濺射法在不同的氧氬比條件下，以石英玻璃和藍(lán)寶石晶體為基底，制備濺射鉺鐿摻雜的氧化鋅薄膜，研究不同氧氬比對薄膜的結(jié)構(gòu)和光波導(dǎo)特性的影響。

1 實驗材料與方法

應(yīng)用FJL560型超高真空多功能磁控與離子束聯(lián)合濺射鍍膜設(shè)備，在不同氧氬比條件下制備鉺鐿摻雜氧化鋅薄膜，首先對基底材料石英玻璃(A、B)和藍(lán)寶石晶體(0006)(C、D)進(jìn)行擦洗，然后添加酸堿清洗液在KC－250W超聲波清洗機進(jìn)行清洗，目的是減少一些表面灰塵和化學(xué)雜質(zhì)對薄膜影響。靶材采用燒結(jié)的鉺鐿摻雜氧化鋅的陶瓷靶材，直徑為76mm，厚度為6mm。靶材中鉺鐿摻雜所占比例為5%，鉺鐿比為1∶4。制備薄膜的參數(shù)為:本底真空為1.2E10 －4Pa，基底溫度為 600℃，工作時間7h，濺射功率120W，基底轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速為1200 r/h，通入的工作氣體為純度99.999%的氧氣和氬氣，A、C樣品和B、D樣品氧氣和氬氣的流量分別控制在2sccm∶16sccm和4sccm∶16sccm。

采用CuKα輻射波長為0.15406nm的X射線衍射儀(日本Rigaku D/MAX－RA型)分析薄膜的結(jié)晶情況和結(jié)構(gòu)特性。采用Model 2010型棱鏡耦合儀(美國Metricon公司生產(chǎn))測量薄膜的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)特性和有效折射率。

2 結(jié)果與分析

2.1 X射線衍射(XRD)

圖1和圖2是不同的氧氬比條件下在石英玻璃和藍(lán)寶石晶體基底上鉺鐿摻雜氧化鋅薄膜的歸一化XRD圖。圖2中(0006)衍射峰是基底藍(lán)寶石晶體本身的衍射峰。由圖1和圖2表明:所有樣品均在2θ=34.1°和 2θ=71.9°左右出現(xiàn)(0002)和(0004)衍射峰，薄膜具有高度的c軸方向擇優(yōu)取向。樣品制備的氧分壓的增大，衍射峰的強度減小，在氧氬比為2∶16時其衍射峰的強度較大。分析原因是當(dāng)氧氣含量增大時，濺射室內(nèi)的氬氣含量減小，濺射效率降低，氧離子與氬離子產(chǎn)生碰撞，損失了一部分濺射能量，使濺射離子到達(dá)襯底表面的能量減小，降低了襯底表面離子的擴散和遷移。四種樣品(0002)衍射峰的半高寬(FWHM)分別是:1.147、1.336、0.948、1.067，隨著氧氬比的增大，薄膜的半高寬減小，薄膜的半高寬在氧氬比為2∶16時相對較窄。由圖1和圖2可知(0004)衍射峰的強度遠(yuǎn)小于(0002)衍射峰的強度，由于在濺射過程中，沉積到基底上的Zn、O、Er和Yb原子具有一定的能量在沉積表面進(jìn)行擴散運動，趨向于吉布斯自由能較小的排列方式進(jìn)行排列，而(0002)晶面表面能量較低，因此薄膜沿著(0002)晶面方向生長較快，而其他晶面的生長受到抑制。這一結(jié)果和薛華等人在氧分壓對納米ZnO薄膜光致發(fā)光特性的影響[16]一文中，指出薄膜的結(jié)晶狀態(tài)和c軸擇優(yōu)取向變化的趨勢是相一致的，在氧氬比為2∶16時薄膜的結(jié)晶狀態(tài)相對比較好。結(jié)果表明，降低氧氬比有利于增強鉺鐿摻雜的氧化鋅薄膜的c軸擇優(yōu)取向，提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。

2.2 棱鏡耦合

測量薄膜的有效折射率主要是利用棱鏡耦合法，對于薄膜材料，其測量折射率精度高達(dá)0.001，折射率的分辨率為±0.0005。本工作應(yīng)用山大物理實驗室的Model 2010型棱鏡耦合儀在激光波長為633nm下測試鉺鐿摻雜氧化鋅薄膜的TE(Transverse Electric，橫向電場)波導(dǎo)模和 TM(Transverse Magnetic，橫向磁場)波導(dǎo)模的有效折射率。氧化鋅晶體材料的有效折射率為n0=1.9800和 ne=2.0000。

圖1 以石英玻璃為襯底時不同氧氬比條件下薄膜的XRD圖

圖2 以藍(lán)寶石晶體為襯底時不同氧氬比條件下薄膜的XRD圖

圖3為以石英玻璃為基底在不同氧氬化條件下制備的鉺鐿、反摻雜氧化鋅薄膜的TE暗模特性圖，A樣品出現(xiàn)三個暗模，B樣品出現(xiàn)兩個暗模。圖4為IX藍(lán)寶石晶體為基底在不同氧氬化條件下制備的鉺鐿摻雜氧化鋅薄膜的TE暗模特性圖，C、D樣品均出現(xiàn)兩個暗模。所有樣品暗模的下降峰均比較尖銳且折射率大于襯底材料的折射率(NSiO2=1.45，NAl2O3=1.76)，激光可以很好的耦合進(jìn)薄膜中。對應(yīng)各膜的有效折射率如表1所示。結(jié)果表明，兩種基底材料中，氧氬比為2∶16的條件下制備的薄膜有效折射率較大，均小于純氧化鋅晶體材料的有效折射率。鉺離子和鐿離子取代了氧化鋅薄膜中的氧離子和鋅離子的位置，在濺射過程中改變了薄膜的堆積結(jié)構(gòu)，形成了一定的缺陷類型和膜密度的改變。在磁控濺射過程中，工作壓強、沉膜時間、濺射功率和基底材料晶格結(jié)構(gòu)的不同等因素的影響，使薄膜沿不同的維度生長，對薄膜的有效折射率產(chǎn)生影響。以上結(jié)果表明，所有沉積的樣品都形成了良好的波導(dǎo)結(jié)果，氧氬比對膜的折射率有一定的影響。

表1 四種樣品的有效折射率

圖3 以石英玻璃為襯底時不同氧氬比條件下制備的薄膜的TE暗模特性圖

3 結(jié)論

在多種條件下制備鉺鐿摻雜的氧化鋅薄膜，通過X射線衍射(XRD)和棱鏡耦合技術(shù)對其結(jié)構(gòu)和光波導(dǎo)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:四種樣品均在2θ=34°和2θ=72°左右出現(xiàn)(002)和(004)衍射峰，在氧氬比為2∶16的條件下制備的薄膜的衍射峰強度較大，半高寬(FWHM)較小，具有較好的c軸擇優(yōu)取向，薄膜的有效折射率更接近氧化鋅薄膜的有效折射率。所有沉積的樣品的有效折射率均大于襯底材料，形成了優(yōu)良的平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

圖4 以藍(lán)寶石晶體為襯底時不同氧氬比條件下制備的薄膜的TE暗模特性圖

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