【正文】 N具有更強的抗高能質子轟擊能力和熱穩(wěn)定性，在大氣中不易被氧化[5]；ZnO的制備溫度遠低于GaN，并且可以進行大面積的生長；ZnO原料便宜、容易刻蝕，因此，ZnO被認為是GaN理想的替代材料。1999年10月，在美國召開了首屆ZnO專題國際研討會，會議認為“目前ZnO的研究如同Si, Ge的初期研究。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。而Gregory則認為ZnO中主要的施主是Vo[7]。還有學者認為n型導電的主要來源是ZnO中的H雜質，Detlev等人利用霍爾測量和電子順磁共振證明了H在ZnO中的施主作用。其中摻Al的ZnO薄膜在可見光范圍內透射率比較高(高達90% )，導電率也很高，可用于太陽能電池和透明導電膜電極的制備[8]。P型摻雜的困難在于:首先，P型摻雜需要較高的馬德隆能。它結晶的難易程度取決于馬德隆能的大小。其次，由于ZnO中存在很多的本征施主缺陷(如氧空位和間隙鋅等)，對受主摻雜產生了高度的自補償效應。實踐經驗表明，目前制備P型ZnO主要有3種方法:(1)將V族元素摻入氧空位；(2)I族元素與VII元素共摻，或V族元素與III族元素共摻雜入ZnO；(3)用過量的O以消除氧空位的自補償效應，這一方法常與V族元素摻入法同時進行。ZnO是一種極性晶體，在c軸方向上具有一個Zn極化面(001)和一個O極化面(001)。研究表明ZnO中的壓電性質是由于ZnO中陽離子(Zn)和陰離子(O)晶格應力的釋放。Corso等人利用全電子模型解釋了ZnO中的壓電特性。應用于聲表面波器件(SAW)的ZnO薄膜必須具有高度的c軸擇優(yōu)取向，從而具有高的聲電轉換效率，并且要有足夠高的電阻率，以降低器件的工作損耗。ZnO主要有以下幾種輻射復合躍遷發(fā)光方式:(1)與激子相關的輻射復合。低溫下還可以觀測到發(fā)光的精細結構，包括束縛激子復合發(fā)光、自由激子復合發(fā)光、激子與激子碰撞發(fā)光等情況。本征ZnO的熒光光譜中通常有一個位于450650nm范圍內的可見發(fā)光帶[11]。躍遷到價帶引起的，或是從Vo到VZn的躍遷引起的。 ZnO的氣敏性能ZnO薄膜的光電導性質會隨著表面吸附氣體的種類和濃度的不同發(fā)生很大的變化:當ZnO薄膜放置在大氣中時，其表面會吸收一定數(shù)量的氧原子，吸附的氧原子從ZnO導帶上吸引電子，在晶界處形成勢壘，導致薄膜中載流子的漂移速度變小，電阻率升高[12]。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。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，被廣泛應用于民用和軍事領域。因此，對ZnO薄膜的深入研究具有極其重要的意義。制備ZnO薄膜的方法有很多，各有優(yōu)缺點。目前，許多薄膜制備技術可以用于ZnO薄膜的生長，主要有磁控濺射(Sputtering)、金屬有機物化學氣相沉積(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。 磁控濺射(Sputtering)磁控濺射法是目前(尤其是國內)研究最多、最成熟的一種ZnO薄膜制備方法。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。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。濺射設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。磁控濺射技術是在普通直流(射頻)濺射技術的基礎上發(fā)展起來的。磁控濺射法的基本原理:向真空室內通入惰性氣體(通常使用Ar)和反應氣體，陰極極區(qū)產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。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]。單晶靶材的數(shù)值還與其表面取向有關。 濺射率與入射離子能量之間的關系，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)，并逐漸達到一個最大值并且呈飽和狀態(tài)。這種下降一般認為是由于轟擊離子深入到晶格內部，將大部分的能量消耗在靶材內部而不是消耗在靶材表面的緣故。(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。(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。論文中采用磁控濺射技術制作本征ZnO薄膜，通過優(yōu)化薄膜生長條件，得到了透射率、電導率較好的薄膜。是本世紀六十年代末發(fā)展起來的一種新型半導體薄膜生長技術，它是利用金屬有機化合物作為合成物中金屬前軀的一種氣相沉積技術[14]。MOCVD生長系統(tǒng)一般包括:1)氣體處理系統(tǒng)；2)計算機控制系統(tǒng)；3)加熱系統(tǒng)；4)尾氣處理系統(tǒng)；5)安全保護及報警系統(tǒng)；6)進行高溫反應和形成淀積的反應室。(2)可以迅速改變多元化合物的組分和摻雜濃度。MOCVD設備的不足之處在于其設備昂貴，很多參數(shù)需要精確控制；物質源材料不易獲得；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反應發(fā)生，需要較高的基片溫度，這對于電子器件的制備很不利。最近幾年，由于在制備新型高溫超導薄膜上的成功應用，從而引起了人們的廣泛重視。激光脈沖的頻率一般在15Hz之間。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生長速度(1 ML/s1 ML/μs )。(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。 ZnO主要表征技術原理介紹材料表征技術是人們認識材料性質、了解材料性能的重要手段。為了測試半導體材料的性能，保證材料能夠制備出滿足實際應用的器件，并且具有一定的成品率和重復性，材料的表征工作是不可缺少的。晶體結構的表征通常通過X射線衍射來實現(xiàn)。PL譜、透射譜等可以測試薄膜的光學信息。 X射線衍射技術(XRD) X射線衍射技術(XRD)是進行半導體單晶定向、物相鑒定的重要方法，其工作效率高，衍射線強度測量的靈敏度高，應用非常廣泛。這種方法是建立在一定晶體結構模型基礎上的間接方法。X射線是1895年德國物理學家倫琴(Rontgen)在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)的肉眼觀察不到的射線。1912年，勞厄(Laue)等人提出，當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。當一束連續(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。描述X射線的另外一種方法是從反射觀點考慮的布喇格(Bragg)法。只有在相鄰晶面的反射線因疊加而加強時才會有反射，即反射是有選擇性的。根據(jù)干涉條件，只有光程差△是波長的整數(shù)倍時才能互相加強，即: 2dsinθ=nλ (21)這就是著名的Bragg方程。一個完整晶體的晶面是由許多原子面組成的，眾多原子面反射并疊加就形成了強衍射。隨著參與衍射的晶面增加，衍射峰的寬度會越來越窄，但它的寬度不會為零，而是趨近于體單晶的本證寬度。由于X射線是一種能量高、波長短、穿透力強的電磁波，當X射線射向一個具有三維周期性的晶體時，它在晶體內會產生周期性變化的電磁場，迫使原子中的電子也做周期性振動，每個振動著的電子又成為一個新的電磁波散射中心，每一個散射中心都以球面波的方式向外散射與入射X射線的波長、頻率、周期相同的電磁波，波前是以散射點為球心的球面。晶體衍射X射線的方向，與構成晶體的晶胞大小、形狀以及入射X射線波長有關[16]。X射線在晶體內的衍射實質上就是晶體中各原子衍射波之間的干涉結果。公式中的入為入射X射線的波長，B為衍射峰的半高寬(單位:弧度)，九為相應的衍射角。此公式只適用于 D 100 nm的情況。當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應?；魻栃茄芯堪雽w電學性質最重要的手段之一。 霍爾效應原理示意圖第二章 實驗過程 實驗儀器磁控濺射儀器：JGP450G型高真空三靶共濺射鍍膜裝置；退火儀器：中科院安徽光機所OTF1200X型真空管式高溫燒結爐表