趙祥敏++趙文海++孫霄霄++張梅恒++李敏君

摘要：實(shí)驗(yàn)采用射頻磁控濺射技術(shù)，在Si（100）襯底上制備了ZnO薄膜。對(duì)制備的ZnO薄膜分別在不同溫度下（400℃、500℃、650℃、850℃）進(jìn)行了真空條件下的退火處理，并對(duì)退火條件下的ZnO薄膜進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的研究。經(jīng)研究結(jié)果表明：通過(guò)退火處理后的ZnO薄膜的生長(zhǎng)依然是（002）擇優(yōu)取向，當(dāng)退火溫度高于650℃時(shí)實(shí)現(xiàn)了ZnO由n型到p型的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：ZnO薄膜；射頻磁控濺射；退火溫度；電學(xué)性能；退火處理 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：O484 文章編號(hào)：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(shù)特別是退火工藝的影響較大，因此，討論退火處理對(duì)ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響具有十分重要的意義。為此，本實(shí)驗(yàn)以Si（100）為襯底，采用射頻磁控濺射技術(shù)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(duì)ZnO薄膜進(jìn)行后續(xù)處理，旨在探討退火溫度對(duì)ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行超聲清洗20min，再在酒精中進(jìn)行超聲清洗20min，然后用去離子水清洗，并用高純氮?dú)獯蹈珊蠓湃胝婵帐摇R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(shí)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(jìn)行后續(xù)處理，其中1片不進(jìn)行退火處理，另4片樣品分別在400℃、500℃、650℃、850℃溫度條件下對(duì)樣品進(jìn)行退火1h后隨爐冷卻。未進(jìn)行退火以及退火后的樣品編號(hào)分別為a（未退火）、b（400℃）、c（500℃）、d（650℃）和e（850℃）。

3 結(jié)果與討論

3.1 XRD測(cè)試分析

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

從圖1還可以看到，退火條件不同ZnO薄膜的生長(zhǎng)程度也不同。當(dāng)退火溫度在400℃和500℃時(shí)，薄膜有明顯的c軸取向生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，ZnO（002）衍射峰的強(qiáng)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(duì)薄膜表面原子的擴(kuò)散和粒子遷移到晶格位置提供了有利條件，以此促進(jìn)薄膜沿著能量較低的（002）面生長(zhǎng)，從而有利于提高薄膜的c軸取向。當(dāng)退火溫度高于650℃時(shí)，雖然薄膜的c軸取向生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)明顯，但ZnO（002）晶面衍射峰的強(qiáng)度卻呈明顯下降趨勢(shì)。原因可能是由于退火溫度過(guò)高薄膜開(kāi)始發(fā)生重結(jié)晶或者是由于ZnO薄膜和Si襯底的熱膨脹系數(shù)不匹配，使ZnO薄膜表面的粗糙度變大，衍射峰強(qiáng)度明顯下降造成的。由此得知，退火溫度會(huì)對(duì)ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的影響。

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

由表1可見(jiàn)，隨著退火溫度的逐漸升高，ZnO薄膜（002）的XRD衍射峰值變強(qiáng)，半高寬變小，晶粒逐漸生長(zhǎng)，通過(guò)500℃退火處理的薄膜結(jié)晶狀態(tài)最好。但是，隨著退火溫度的進(jìn)一步升高，ZnO薄膜（002）的衍射峰強(qiáng)度變?nèi)?，半高寬變大，這表明薄膜的晶粒開(kāi)始團(tuán)聚，結(jié)晶狀態(tài)變差。從表1中我們還發(fā)現(xiàn)，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(shuō)明，ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量隨著退火溫度的升高先變好后變差。同時(shí)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(jìn)入O的晶格位置而成為受主的緣故，因?yàn)閆n-N鍵的鍵長(zhǎng)比Zn-O鍵的鍵長(zhǎng)小，所以N原子替代晶格中的氧原子會(huì)使樣品的晶格常數(shù)變小。

3.2 霍爾測(cè)試分析

不同退火溫度下樣品的電學(xué)參數(shù)及導(dǎo)電類(lèi)型如表2

所示：

由表2可見(jiàn)，未退火以及經(jīng)500℃以下退火ZnO薄膜的載流子濃度增大，電阻率減小，導(dǎo)電類(lèi)型是N型。

當(dāng)退火溫度較低時(shí)，薄膜中的晶粒尺寸較小，晶粒間界散射占主導(dǎo)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(shí)，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(dāng)退火溫度進(jìn)一步升高，從結(jié)果可以看出，當(dāng)退火溫度低于500℃時(shí)，導(dǎo)電類(lèi)型沒(méi)有實(shí)現(xiàn)n型到p型的轉(zhuǎn)變，只有當(dāng)溫度升高到650℃和850℃時(shí)才出現(xiàn)了n型到p型的轉(zhuǎn)變。但是，在850℃退火后的薄膜雖然也實(shí)現(xiàn)了n型到p型的轉(zhuǎn)變，但其電導(dǎo)率卻下降了。原因可能是由于溫度過(guò)高，在消除注入引起的缺陷的同時(shí)也會(huì)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(yán)重時(shí)甚至影響到體內(nèi)的Zn、O原子濃度的平衡。因此，在過(guò)高的溫度條件下，本征點(diǎn)缺陷增多，使自補(bǔ)償效應(yīng)顯著增加，不利于導(dǎo)電類(lèi)型從n型到p型的轉(zhuǎn)變，因此我們認(rèn)為退火處理對(duì)樣品的電學(xué)性能影響很大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)后處理退火溫度條件下ZnO薄膜結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響研究發(fā)現(xiàn)，退火處理能改善ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，而且隨著退火溫度進(jìn)一步升高，實(shí)現(xiàn)了ZnO由n型到p型的轉(zhuǎn)變。退火溫度為650℃時(shí)制備的p型ZnO薄膜電學(xué)性能較好。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：牡丹江市科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目：通過(guò)退火等工藝對(duì)N摻雜ZnO薄膜的制備及其電學(xué)性能研究，項(xiàng)目編號(hào)為Z2016g0003。

（責(zé)任編輯：蔣建華）