退火溫度對N摻雜ZnO薄膜結構和電學性能的影響

趙祥敏++趙文海++孫霄霄++張梅恒++李敏君

摘要：實驗采用射頻磁控濺射技術，在Si（100）襯底上制備了ZnO薄膜。對制備的ZnO薄膜分別在不同溫度下（400℃、500℃、650℃、850℃）進行了真空條件下的退火處理，并對退火條件下的ZnO薄膜進行了結構和電學性能的研究。經研究結果表明：通過退火處理后的ZnO薄膜的生長依然是（002）擇優取向，當退火溫度高于650℃時實現了ZnO由n型到p型的轉變。

關鍵詞：ZnO薄膜；射頻磁控濺射；退火溫度；電學性能；退火處理 文獻標識碼：A

中圖分類號：O484 文章編號：1009-2374（2017）04-0066-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.034

1 概述

由于ZnO薄膜的性能受后處理工藝參數特別是退火工藝的影響較大，因此，討論退火處理對ZnO薄膜結構和電學性能的影響具有十分重要的意義。為此，本實驗以Si（100）為襯底，采用射頻磁控濺射技術在一定沉積條件下制備出ZnO薄膜，在不同退火溫度條件下對ZnO薄膜進行后續處理，旨在探討退火溫度對ZnO薄膜結構和電學性能的影響。

2 實驗

實驗所用的靶材是ZnO（99.99%）陶瓷靶，其直徑為60mm，厚度為5mm，靶基距為50mm。沉積前，先把Si（100）襯底放在丙酮中進行超聲清洗20min，再在酒精中進行超聲清洗20min，然后用去離子水清洗，并用高純氮氣吹干后放入真空室。濺射室本底真空度為5.010-4Pa，工作氣體為N2（99.99%）：Ar2（99.99%）=10sccm：50sccm混合氣體，濺射功率為200W，沉積時間為50min，襯底溫度為300℃，工作氣壓為0.3Pa。取上述制備的5片樣品進行后續處理，其中1片不進行退火處理，另4片樣品分別在400℃、500℃、650℃、850℃溫度條件下對樣品進行退火1h后隨爐冷卻。未進行退火以及退火后的樣品編號分別為a（未退火）、b（400℃）、c（500℃）、d（650℃）和e（850℃）。

3 結果與討論

3.1 XRD測試分析

ZnO薄膜的XRD衍射圖譜如圖1所示。由圖1可見，所有樣品都只有一個ZnO（002）衍射峰，這說明無論有無真空退火處理，ZnO薄膜的C軸擇優取向度都會非常高。

從圖1還可以看到，退火條件不同ZnO薄膜的生長程度也不同。當退火溫度在400℃和500℃時，薄膜有明顯的c軸取向生長優勢，ZnO（002）衍射峰的強度明顯提高，原因可能是由于在退火溫度較高的條件下，粒子獲得的遷移能量較高，這對薄膜表面原子的擴散和粒子遷移到晶格位置提供了有利條件，以此促進薄膜沿著能量較低的（002）面生長，從而有利于提高薄膜的c軸取向。當退火溫度高于650℃時，雖然薄膜的c軸取向生長優勢明顯，但ZnO（002）晶面衍射峰的強度卻呈明顯下降趨勢。原因可能是由于退火溫度過高薄膜開始發生重結晶或者是由于ZnO薄膜和Si襯底的熱膨脹系數不匹配，使ZnO薄膜表面的粗糙度變大，衍射峰強度明顯下降造成的。由此得知，退火溫度會對ZnO薄膜的結構產生顯著的影響。

為進一步研究退火溫度對ZnO薄膜的影響，我們測試了不同退火溫度下ZnO薄膜（002）衍射峰的峰強（Intensity）、衍射角（2θ）和半高寬（FWHM），如表1所示：

由表1可見，隨著退火溫度的逐漸升高，ZnO薄膜（002）的XRD衍射峰值變強，半高寬變小，晶粒逐漸生長，通過500℃退火處理的薄膜結晶狀態最好。但是，隨著退火溫度的進一步升高，ZnO薄膜（002）的衍射峰強度變弱，半高寬變大，這表明薄膜的晶粒開始團聚，結晶狀態變差。從表1中我們還發現，隨著退火溫度的逐漸升高，ZnO薄膜的半高寬先減小后增大。這說明，ZnO薄膜的結晶質量隨著退火溫度的升高先變好后變差。同時我們也注意到，ZnO薄膜（002）的衍射峰逐漸向大角度方向偏移，這可能是由于隨著退火溫度的升高，N摻雜ZnO中的N原子逐漸進入O的晶格位置而成為受主的緣故，因為Zn-N鍵的鍵長比Zn-O鍵的鍵長小，所以N原子替代晶格中的氧原子會使樣品的晶格常數變小。

3.2 霍爾測試分析

不同退火溫度下樣品的電學參數及導電類型如表2

所示：

由表2可見，未退火以及經500℃以下退火ZnO薄膜的載流子濃度增大，電阻率減小，導電類型是N型。

當退火溫度較低時，薄膜中的晶粒尺寸較小，晶粒間界散射占主導地位。隨著溫度的升高，薄膜中的晶粒變大，從而減少了載流子的散射而使載流子的遷移率增加。與此同時，薄膜中氧空位的濃度也增加，薄膜中載流子的濃度隨之增加，從而降低了薄膜的電阻率。

而當退火溫度進一步升高，從結果可以看出，當退火溫度低于500℃時，導電類型沒有實現n型到p型的轉變，只有當溫度升高到650℃和850℃時才出現了n型到p型的轉變。但是，在850℃退火后的薄膜雖然也實現了n型到p型的轉變，但其電導率卻下降了。原因可能是由于溫度過高，在消除注入引起的缺陷的同時也會使ZnO薄膜在高溫下分解，氧原子逸出后可在薄膜表面留下較多的氧空位，分解嚴重時甚至影響到體內的Zn、O原子濃度的平衡。因此，在過高的溫度條件下，本征點缺陷增多，使自補償效應顯著增加，不利于導電類型從n型到p型的轉變，因此我們認為退火處理對樣品的電學性能影響很大。

4 結語

通過對后處理退火溫度條件下ZnO薄膜結構和電學性能的影響研究發現，退火處理能改善ZnO薄膜的結晶質量，而且隨著退火溫度進一步升高，實現了ZnO由n型到p型的轉變。退火溫度為650℃時制備的p型ZnO薄膜電學性能較好。

參考文獻

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基金項目：牡丹江市科學技術計劃項目：通過退火等工藝對N摻雜ZnO薄膜的制備及其電學性能研究，項目編號為Z2016g0003。

（責任編輯：蔣建華）