Mo緩沖層在濺射ZnO薄膜中的應用

吳思誠，王 旋，范海波，鄭新亮，姚合寶，趙寶華

（1.西北大學物理學系，陜西 西安 710069）（2.金堆城鉬業股份有限公司技術中心，陜西西安 710077）

0 引言

ZnO作為一種新興的半導體材料，其禁帶寬度為3.37 eV［1］，激子束縛能高達60 meV［2］，非常適合作為短波長發光器件，且其生長成本較低，適合大規模生長［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，生長速率可控等優點［5］。

硅襯底價格便宜，易于解理，并且具備良好的散熱性能［6］。當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ZnO薄膜具有很大的實用價值。但是硅襯底和ZnO薄膜的晶體結構完全不同，晶格常數相差很多。首先硅是立方晶體結構，晶格常數為5.43 ?；ZnO則為六角鉛鋅礦結構，其晶格常數a為3.25 ?，c為5.21 ?。其次硅和ZnO的熱膨脹系數也有很大不同，溫度為300 K時ZnO（001）方向的熱膨脹系數a大約為5.0×10-6/K，而硅的熱膨脹系數a約為2.6×10-6/K［7］。所以想要在硅襯底上獲得高質量的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大的問題。

Mo的晶格常數為3.15 ?，與ZnO相近，且Mo薄膜具有熱穩定性好、化學穩定性好、光反射率高、電阻率低等特性［8］。因此Mo薄膜可以作為生長ZnO薄膜的緩沖層。本文采用Mo薄膜作為Si上ZnO生長的緩沖層材料，并對ZnO薄膜的晶體性能和發光性能進行了分析對比。

1 實驗

實驗前將Si襯底分別放入丙酮溶液、無水乙醇溶液、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科儀有限公司生產的JGP-560型磁控濺射儀，濺射溫度為200℃、濺射時間為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 結果與討論

采用日本島津公司的XRD-7000型X射線衍射儀分析薄膜的結晶性能。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）晶面方式擇優排列。采用 Mo緩沖層后，ZnO/Mo/Si薄膜的（002）衍射峰強度大約為ZnO/Si薄膜的1.5倍，而其他的衍射峰強度有略微的降低。利用高斯擬合方法計算出了（002）衍射峰的半高寬，并利用謝樂公式計算出了薄膜的平均粒徑大小，結果見表1。采用了Mo緩沖層之后ZnO（002）峰的位置基本沒變，而半高寬則有明顯減小，對應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ZnO薄膜表面形貌的影響，我們采用日本電子株式會社的 JSM-6700F型場發射掃描電子顯微鏡（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。同時還分析了兩種薄膜的表面粗糙度均方根值，結果見表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測試結果相一致。AFM表面粗糙度測試發現采用了Mo緩沖層之后ZnO薄膜表面的粗糙度有所增加，這主要是因為購買的Si襯底經過了打磨等工序，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，薄膜的生長速率增大，ZnO原子沉積到基底上的速率較快，這樣一來Zn、O原子沒有足夠的時間在基底表面進行遷移，從而導致表面粗糙不平，反而對薄膜表面的粗糙度造成了負面的影響。

圖3 ZnO/Si薄膜表面和截面的SEM照片

表2 兩種薄膜對應的均方根粗糙度值

利用日本日立公司的F-7000型熒光光譜儀，我們測試了ZnO/Si薄膜與ZnO/Mo/Si薄膜的光致發光譜，如圖7所示，其激發光源為220 nm的氙燈。從圖中可以看出在370 nm附近有一明顯發光峰，對應于ZnO薄膜的帶邊激子發光峰。采用了Mo緩沖層之后該發光峰強度明顯增大，表明ZnO薄膜的發光性能有明顯的提升。聯系之前XRD測試的結果，可以推測ZnO薄膜的發光性能與薄膜的結晶質量具有很大關系，較好的結晶質量可以帶來較好的發光性能。

3 結論

利用Mo薄膜作為緩沖層在Si襯底上成功地生長了ZnO薄膜，對比ZnO/Si薄膜和ZnO/Mo/Si薄膜的性能，發現添加Mo緩沖層后薄膜的結晶性獲得改善，晶粒尺寸有所增加，繼而可以提高薄膜的發光性能。不利的一方面，采用Mo緩沖層后會導致薄膜表面的粗糙度增加。后續工作中，應該繼續探索Mo緩沖層的制備工藝，盡可能獲得比較高的表面平整度，以進一步提高 ZnO外延層的表面平整度。

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