趙文海 李敏君 趙祥敏 張 偉

（1.牡丹江師范學(xué)院 黑龍江 牡丹江 157012；2.牡丹江師范學(xué)院新型碳基功能與超硬材料省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黑龍江 牡丹江 157012）

0 引言

ZnO作為一種寬帶隙（禁帶寬度為3.37eV）的光電半導(dǎo)體材料[3]，ZnO是II-VI族化合物，具有禁帶寬、激子束縛能高，不僅能制成良好的半導(dǎo)體和壓電薄膜，亦能通過摻雜制成良好的透明導(dǎo)電薄膜，此外，ZnO薄膜的外延生長(zhǎng)溫度較低，有利于降低設(shè)備成本，抑制固相外擴(kuò)散，提高薄膜質(zhì)量，也易于實(shí)現(xiàn)摻雜。ZnO薄膜所具有的這些優(yōu)異特性，因而被廣泛應(yīng)用于太陽能電池、液晶顯示、透明導(dǎo)電膜（TCO）、氣敏傳感器、表面聲波器件（SAW）、壓敏器件、紫外光探測(cè)器、顯示以等方面[4]。目前，對(duì)ZnO半導(dǎo)體材料研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)在于：（1）如何獲得性能優(yōu)異且可重復(fù)生長(zhǎng)的p型ZnO；（2）ZnO納米結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)極其特殊性能的研究與應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)

靶材：摻雜質(zhì)量2%Al的ZnO：Al陶瓷靶

襯底：ITO（In2O3：Sn）玻璃、n-Si（111）、普通載玻片

靶基距：11cm

襯底溫度：室溫（RT）、150℃、250℃、300℃

工作氣氛：Ar（99.99%）、N2（99.99%）

氣體流量：Ar：25sccm、N2：25sccm

工作氣壓：1.6Pa

濺射功率：125W

濺射時(shí)間：30min

1 表面形貌

圖1 不同襯底溫度下制備Al-N共摻雜的ZnO薄膜AFM圖像

如圖 1 所示，（1）、（2）、（3）、（4） 分別代表襯底溫度室溫（RT）、150℃、250℃、300℃時(shí) n型 Si（111）襯底表面濺射沉積的 Al-N 共摻雜的ZnO薄膜的AFM圖像。

由圖可知，隨著襯底溫度的不斷升高，薄膜顆粒尺寸也相應(yīng)變大。而且，與未摻雜的ZnO薄膜，在同樣襯底溫度下制備相比，Al-N共摻雜的ZnO薄膜顆粒尺寸明顯降低。襯底溫度的上升有利于提高薄膜的表面平整度，再與同樣襯底溫度下制備的未摻雜的ZnO薄膜的粗糙度相比，所制備Al-N共摻雜的ZnO薄膜是納米級(jí)的，平整度較好，粗糙度較低，且變化較小。

2 XRD分析

圖2 不同襯底溫度下玻璃襯底上制備的Al-N共摻雜的ZnO薄膜的XRD衍射圖譜

由圖可知，在Al-N摻雜ZnO薄膜的XRD圖譜中，在襯底溫度升高時(shí)，只有一個(gè)較強(qiáng)的衍射峰，PDF卡片庫可知，此峰是ZnO（002）取向的衍射峰。說明這些條件下，ZnO都會(huì)有高度的C軸擇優(yōu)取向。隨著襯底溫度的升高，（002）面衍射峰的強(qiáng)度逐漸增大，說明所制備的ZnO薄膜的結(jié)晶效果隨襯底溫度的升高而變好，襯底溫度的升高使濺射出的離子獲得更高的能量來優(yōu)化組合，使結(jié)晶效果變好。而隨著溫度進(jìn)一步提高，分子的蒸發(fā)影響了薄膜的結(jié)晶和表面特性的進(jìn)一步提高。

通過Scherrer公式的計(jì)算，列出表1，給出了所制備的N摻雜ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 不同襯底溫度下制備的Al-N共摻雜ZnO薄膜的半峰寬、2θ衍射角、衍射峰強(qiáng)度

由表可知，Al-N共摻雜的ZnO薄膜的晶了尺寸的計(jì)算值略小于純相ZnO薄膜，這與AFM的測(cè)試結(jié)構(gòu)相符。且（002）晶面的衍射峰隨著沉底溫度的增高不多增強(qiáng)，（101）晶面衍射峰出現(xiàn)的原因由于襯底溫度較低，濺射出的粒子在到達(dá)襯底時(shí)不能獲得足夠多的能量來沿著 （002）晶面生長(zhǎng)造成的。當(dāng)襯底溫度逐漸升高時(shí)，（101）晶面的衍射峰就逐漸減小并最終消失，這是由于襯底溫度的升高使濺射出的離子或者離子簇獲得更高的熱能，在到達(dá)襯底后能夠獲得更高的能量，有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行優(yōu)化排列，減少了薄膜中的缺陷，使薄膜取向性變好，表現(xiàn)在ZnO（002）衍射峰的增強(qiáng)。

3 霍爾測(cè)試分析

本實(shí)驗(yàn)對(duì)樣品的霍爾測(cè)試，均采用范德堡方法，在霍爾測(cè)試儀HL5550上完成。表2為由霍爾測(cè)試儀測(cè)試不同溫度下，ZnO薄膜樣品的電學(xué)參數(shù)及導(dǎo)電類型。

表2 不同溫度下Al-N共摻雜ZnO薄膜樣品的電學(xué)參數(shù)及導(dǎo)電類型

由于ZnO中存在大量的本征缺陷，如鋅間隙（Zni）、氧空位（Vo）和H等，而Zni和Vo在ZnO中呈現(xiàn)出施主的特性，所以本征ZnO通常呈現(xiàn)出N型[5]。從表2中可以看出，不同溫度下ZnO薄膜的導(dǎo)電類型也都是N型，主要是改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，基本沒有引起N的明顯遷移。

4 結(jié)論

1）玻璃襯底沉積的Al-N共摻雜的ZnO薄膜的X射線衍射圖譜中出現(xiàn)（002）晶面與（101）晶面的衍射峰，且（101）晶面衍射峰再襯底溫度升高后消失，而（002）晶面的沿c軸取向生長(zhǎng)的ZnO衍射峰，隨襯底溫度的升高逐漸變強(qiáng)，說明Al原子以及N原子較好地?fù)饺隯nO晶格中，并且摻雜使薄膜的表面粗糙度降低。

2）發(fā)現(xiàn)襯底溫度從室溫升高至300℃的過程中，所有Al-N共摻ZnO薄膜都呈n型導(dǎo)電，可見低于300℃的沉底溫度，主要是改善薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，基本沒有引起N的明顯遷移。

［1］李爽，王鳳翔，付剛，等.射頻磁控濺射制備ZnO光波導(dǎo)薄膜[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（1）：10-11.

［2］趙祥敏，李敏君，張偉，等.不同濺射時(shí)間下AlN緩沖層對(duì)ZnO薄膜的影響[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，4（17）：114-115.

［3］Shaikh V A E，Maldar N N，Lonikar S V.Thermotropic liquid crystalline behavior of cholesterol linked hydroxyethyl cellulose[J].Journal of Applied Polymer Science，1999，72（6）：763-770.

［4］HuangMH，MaoS，F(xiàn)eickH.RoomtemperatureUltravioletNanowireNanolasers[J].Science，2001，292（5523）：1897-1899.

［5］王彬.磁控濺射法制備ZnO薄膜研究[D].大連理工大學(xué)：物理與光電工程學(xué)院，2010：6-7.