【文章內(nèi)容簡介】 體發(fā)生反應(yīng)，晶界處脫附，薄膜電阻率降低。未摻雜的ZnO薄膜主要對還原性氣體、氧化性氣體具有敏感性，而通過摻雜可以改變ZnO薄膜的氣敏度和選擇性。 綜述ZnO薄膜集合了紫外受激發(fā)射、透明導(dǎo)電、氣敏、壓電、作為GaN的緩沖層、濕敏等特性于一體。ZnO薄膜以其性能優(yōu)異、價格低廉，制備方法多樣、工藝相對簡單等突出優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域。隨著研究工作的不斷深入，ZnO薄膜必將得到更廣泛的應(yīng)用。因此，對ZnO薄膜的深入研究具有極其重要的意義。 ZnO主要制備原理介紹為了更好的研究ZnO的特性和開發(fā)更優(yōu)異的ZnO基器件，需要制備出高質(zhì)量的ZnO薄膜。制備ZnO薄膜的方法有很多，各有優(yōu)缺點。不同的制備方法和工藝條件對薄膜的結(jié)構(gòu)特性和光電性質(zhì)有著很大的影響。目前，許多薄膜制備技術(shù)可以用于ZnO薄膜的生長，主要有磁控濺射(Sputtering)、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、脈沖激光沉積(PLD)、分子束外延(MBE)、超聲噴霧熱解法(SP)、溶膠凝膠( Solgel )等。隨著ZnO薄膜制備技術(shù)的不斷改進(jìn)，ZnO薄膜的質(zhì)量也越來越高。 磁控濺射(Sputtering)磁控濺射法是目前(尤其是國內(nèi))研究最多、最成熟的一種ZnO薄膜制備方法?！盀R射”這一物理現(xiàn)象是1852年英國物理學(xué)家格羅夫(William Robert Grove )在氣體放電實驗中發(fā)現(xiàn)的。所謂“濺射”是指帶電離子轟擊固體表面，使固體原子從表面剔出的現(xiàn)象。濺射鍍膜法是利用直流或高頻電場使惰性氣體發(fā)生電離，電離產(chǎn)生的正離子在電場的作用下高速轟擊作為陰極的靶材，使靶材上的原子或分子濺射出來而沉積到基片上形成薄膜。按照起輝方式的不同，濺射可以分成很多種類，如磁控濺射、直流濺射、射頻濺射、電子回旋共振等離子體濺射等。根據(jù)靶材在沉積過程中是否發(fā)生化學(xué)變化，可以分為普通濺射和反應(yīng)濺射。濺射設(shè)備主要包含真空系統(tǒng)、輸氣系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)和濺射系統(tǒng)四個組成部分。早期的直流(射頻)濺射技術(shù)有許多缺陷，例如生長的ZnO薄膜一般為多晶膜，生長質(zhì)量相對較低，并且需要高壓(210Pa)裝置，成膜速率較低。磁控濺射技術(shù)是在普通直流(射頻)濺射技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。為了提高成膜速率和降低工作氣壓，在靶材的背面加上了磁場，這就是最初的磁控濺射技術(shù)。磁控濺射法的基本原理:向真空室內(nèi)通入惰性氣體(通常使用Ar)和反應(yīng)氣體，陰極極區(qū)產(chǎn)生的磁場與交變電場垂直，大量電子被約束在濺射靶表面附近，在既與電場垂直又與磁場垂直的方向上做回旋運動，其軌跡是一圓滾線，形成無終端的閉合軌跡，增加了電子和帶電粒子以及氣體分子相撞的幾率，提高了氣體的離化率，降低了工作氣壓，同時，由于電子被約束在靶表面附近，不會達(dá)到陰極，從而減小了電子對基片的轟擊，降低了由于電子轟擊而引起基片溫度的升高。通過射頻放電產(chǎn)生低溫等離子體，等離子體中的離子在電場的作用下加速成高能離子，這些高能離子轟擊陰極靶材，將靶材上的物質(zhì)以分子和分子團(tuán)的形式濺射出來沉積到基片上形成薄膜。磁控濺射的一個重要參數(shù)就是濺射率，它表示正離子轟擊陰極靶時，平均每個正離子從陰極靶上打出的粒子數(shù)，常用s表示[13]。濺射率決定了薄膜生長速度的快慢，在很大程度上也決定著薄膜的質(zhì)量，而其數(shù)值則要受入射離子的種類、入射角、能量、靶材類型、晶格結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)及升華熱大小等因素影響。單晶靶材的數(shù)值還與其表面取向有關(guān)。入射離子能量大小對濺射率的影響比較顯著，當(dāng)入射離子的能量高于濺射閾值時，才一會發(fā)生濺射現(xiàn)象。 濺射率與入射離子能量之間的關(guān)系，該曲線可分為三個區(qū)域:S∝E2 ETE500eV (ET為濺射閉值)S∝E 500eVE1000eVS∝E1/2 1000eVE5000eV濺射率最初隨著轟擊離子能量的增加呈指數(shù)上升，之后出現(xiàn)一個線性增大區(qū)，并逐漸達(dá)到一個最大值并且呈飽和狀態(tài)。如果繼續(xù)增大入射離子的能量E則會產(chǎn)生離子注入效應(yīng)而使濺射率下降。這種下降一般認(rèn)為是由于轟擊離子深入到晶格內(nèi)部，將大部分的能量消耗在靶材內(nèi)部而不是消耗在靶材表面的緣故。磁控濺射方法的優(yōu)點是:(1)襯底溫度低，甚至可以在室溫下進(jìn)行生長。(2)濺射膜與襯底之間的附著性好，濺射鍍膜密度高、針孔少，且膜層純度高。(3)生長速度快。(4)能夠改變靶材原料和濺射氣體的成分，易于制備各種合金及化合物薄膜。(5)生長成本低廉，適合于大面積生長。論文中采用磁控濺射技術(shù)制作本征ZnO薄膜，通過優(yōu)化薄膜生長條件，得到了透射率、電導(dǎo)率較好的薄膜。(MOCVD)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)又稱為金屬有機(jī)化合物氣相外延(MOVPE )。是本世紀(jì)六十年代末發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體薄膜生長技術(shù)，它是利用金屬有機(jī)化合物作為合成物中金屬前軀的一種氣相沉積技術(shù)[14]。生長時通過載氣把金屬有機(jī)化合物(如二乙基鋅或二甲基鋅)和其它氣源(如OZ)攜帶到反應(yīng)室中，混合氣體流經(jīng)過加熱的襯底表面時會發(fā)生熱分解反應(yīng)，最終在襯底表面形成反應(yīng)產(chǎn)物。MOCVD生長系統(tǒng)一般包括:1)氣體處理系統(tǒng)；2)計算機(jī)控制系統(tǒng)；3)加熱系統(tǒng)；4)尾氣處理系統(tǒng)；5)安全保護(hù)及報警系統(tǒng)；6)進(jìn)行高溫反應(yīng)和形成淀積的反應(yīng)室。與其它沉積技術(shù)相比，MOCVD技術(shù)有著如下優(yōu)點:(1)可以精確控制薄膜組分、摻雜濃度和厚度等參數(shù)。(2)可以迅速改變多元化合物的組分和摻雜濃度。(3)生長的薄膜均勻性較好，適合工業(yè)生產(chǎn)。MOCVD設(shè)備的不足之處在于其設(shè)備昂貴，很多參數(shù)需要精確控制；物質(zhì)源材料不易獲得；有時需要利用H2作為載氣，容易爆炸；MOCVD在生長過程中常伴隨有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，需要較高的基片溫度，這對于電子器件的制備很不利。(PLD)激光脈沖沉積技術(shù)簡稱為PLD，又稱為激光燒蝕(PLAPulsed laser ablation，是20世紀(jì)80年代后期，當(dāng)脈沖寬度為幾個到幾十個納秒、瞬時功率可達(dá)GW級的準(zhǔn)分子激光器出現(xiàn)后，才發(fā)展起來的一種制備高質(zhì)量薄膜的真空物理沉積方法。最近幾年，由于在制備新型高溫超導(dǎo)薄膜上的成功應(yīng)用，從而引起了人們的廣泛重視。 脈沖激光沉積設(shè)備示意圖激光脈沖沉積技術(shù)的原理是在真空室內(nèi)(一般可達(dá)到105 Pa )利用脈沖激光束通過真空室窗口照射高純度的靶材，加熱并使其蒸發(fā)，蒸發(fā)物氣化膨脹后遇冷沉積在襯底上或與通入真空室的氣源或氣源的等離子體進(jìn)行反應(yīng)最后沉積到襯底上。激光脈沖的頻率一般在15Hz之間。PLD方法的反應(yīng)基本上包括三個過程:(1)靶材蒸發(fā)離化階段，(2)氣化物質(zhì)與光波繼續(xù)作用，等離子化的過程，(3)薄膜在襯底表面的成核與生長。由于PLD方法使用脈沖激光作為一種獨特的加熱源，因此具有許多突出的優(yōu)點:(1)生長方法簡單，需要調(diào)節(jié)的參數(shù)較少，(2)易于摻雜，(3)用激光作為加熱源無污染，適合高真空F制備高純度薄膜，(4)由于激光燒蝕速度較快，因此對襯底的溫度要求不高[15]，并且具有較大范圍的可調(diào)生長速度(1 ML/s1 ML/μs )。缺點:(1)等離子體管中含有的微粒，氣態(tài)原子或分子會被帶入薄膜，影響薄膜的質(zhì)量。(2)PLD法在控制摻雜、生長平滑的多層薄膜和厚度均勻性等方面都比較困難。(3)無法大面積生長均勻的薄膜。 ZnO主要表征技術(shù)原理介紹材料表征技術(shù)是人們認(rèn)識材料性質(zhì)、了解材料性能的重要手段。與其他科技領(lǐng)域一樣，半導(dǎo)體材料科學(xué)也有其本身特色的表征技術(shù)。為了測試半導(dǎo)體材料的性能，保證材料能夠制備出滿足實際應(yīng)用的器件，并且具有一定的成品率和重復(fù)性，材料的表征工作是不可缺少的。對于薄膜材料來說，一般的表征可以分為結(jié)構(gòu)表征、光學(xué)表征、電學(xué)表征、組分表征和形貌表征等方面。晶體結(jié)構(gòu)的表征通常通過X射線衍射來實現(xiàn)。霍爾效應(yīng)是最常用的測量薄膜電學(xué)性質(zhì)的手段，可以獲得薄膜的導(dǎo)電類型、載流子濃、遷移率等信息。PL譜、透射譜等可以測試薄膜的光學(xué)信息。下面就介紹一下在分析ZnO薄膜時常用到的幾種表征方法。 X射線衍射技術(shù)(XRD) X射線衍射技術(shù)(XRD)是進(jìn)行半導(dǎo)體單晶定向、物相鑒定的重要方法，其工作效率高，衍射線強(qiáng)度測量的靈敏度高，應(yīng)用非常廣泛。X射線衍射方法是利用電磁波(或物質(zhì)波)和周期性結(jié)構(gòu)的衍射效應(yīng)來分析材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)、晶體缺陷(位錯等)的。這種方法是建立在一定晶體結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上的間接方法。即根據(jù)與晶體樣品產(chǎn)生衍射后的X射線信號的特征去分析計算出樣品的晶體結(jié)構(gòu)與晶格參數(shù)，并可以達(dá)到很高的精度。X射線是1895年德國物理學(xué)家倫琴(Rontgen)在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)的肉眼觀察不到的射線。X射線具有很強(qiáng)的穿透能力，可以和物質(zhì)產(chǎn)生交互作用，并被物質(zhì)吸收使強(qiáng)度衰弱。1912年，勞厄(Laue)等人提出，當(dāng)波長與晶體的晶格常數(shù)相近的X光通過晶體時會發(fā)生衍射現(xiàn)象。他們用實驗驗證了這一推斷，并從透射的觀點出發(fā)，推導(dǎo)出了衍射加強(qiáng)的位置由Laue方程決定。當(dāng)一束連續(xù)波長的X射線照射到一單晶薄片上時，在晶格點陣的后方與單晶表面平行的底片上會出現(xiàn)一系列的衍射斑點，即三維衍射花樣。勞厄照相法用來評價單晶體內(nèi)部的完整性