ZnO/A1lN/Si(111)薄膜的外延生长和性能研究

用常压金属化学气相沉积法(MOCVD)在Si(111)衬底上制备了马赛克结构ZnO单晶薄膜.引入低温AlN缓冲层以阻止衬底氧化、缓解热失配和晶格失配.薄膜双晶X射线衍射2θ/ω联动扫描只出现了Si(111)、ZnO(000l)及AlN(000l)的衍射峰.ZnO/AlN/Si(111)薄膜C方向晶格常量为0.5195 nm,表明在面方向处于张应力状态;其对称(0002)面和斜对称(1012)面的双晶X射线衍ω摇摆曲线半峰全宽分别为460"和1105";干涉显微镜观察其表面有微裂纹,裂纹密度为20 cm-1;3 μm×3μm范围的原子力显微镜均方根粗糙度为1.5 nm激光实时监测曲线表明薄膜为准二维生长,生长速率4.3μm/h.低温10 K光致发光光谱观察到了薄膜的自由激子、束缚激子发射及它们的声子伴线.所有结果表明,采用金属化学气相沉积法并引入AlN为缓冲层能有效提高Si(111)衬底上ZnO薄膜的质量.     

常压化学气相沉积法在Ag/Si(111)模板上生长ZnO薄膜及其性能研究

在Si衬底上利用磁控溅射的方法沉积1.5 nm厚度的Ag膜用以阻挡Si衬底被氧化。采用常压金属有机化学气相沉积法(MOVCD),在Ag/Si(111)衬底上成功地生长出马赛克结构的ZnO薄膜。用光学显微镜观察表面形貌,结果显示有带晶向特征的微裂纹,裂纹密度为100 cm-1。依据X射线晶体衍射的结果,薄膜结晶质量良好,呈C轴高度择优取向。用双晶X射线衍射得到(002)面的ω扫描半峰宽为1.37°。温度10 K时光致发光谱(PL)观察到自由激子、束缚激子发射及它们的声子伴线。结果表明,金属有机化学气相沉积法方法在Si(111)衬底上制备ZnO薄膜时,Ag是一种有效的缓冲层。     

N2O为氧源金属有机化学气相沉积生长ZnO薄膜的光学性能研究

采用常压金属有机化学气相沉积(AP-MOCVD)技术、三步生长法,分别以H2O和N2O为氧源,DEZn为Zn源,N2作载气,在c-Al2O3衬底上生长出了晶体质量较好的ZnO薄膜。用X射线双晶衍射(DCXRD)和光致发光谱对ZnO薄膜的结晶性能和光学性质进行表征。结果显示,ZnO倾斜对称面(10-12)的ω扫描半峰全宽为350″,表明ZnO薄膜结晶性能良好;低温10 K光致发光谱结果表明,N2O为氧源生长的ZnO膜和H2O为氧源生长的ZnO膜的发光特性明显不同,没有观察到与氢有关的中性施主束缚激子对应的3.331 eV双电子卫星峰(TES)。这一结果表明,用N2O为氧源生长的ZnO薄膜中不易引进氢杂质。     

常压化学气相沉积技术生长ZnO:H薄膜的光学性质

采用常压金属有机物化学气相沉积技术(AP-MOCVD),以二乙基锌(DEZn)为Zn源,去离子水(H2O)为氧源,N2作载气,在外延ZnO薄膜的反应气氛中通入少量氢气,在c-Al2O3衬底上生长出了ZnO∶H薄膜。用X射线双晶衍射和光致发光谱对ZnO∶H薄膜的结晶性能和光学性质进行表征。结果表明,ZnO∶H薄膜(002)和(102)面的Ω扫描半峰全宽分别为46.1 mrad和81.4 mrad,表明该薄膜具有良好的结晶性能;室温下,ZnO∶H薄膜具有较强的紫外光发射(380 nm),在低温10 K光致发光谱中观测到位于3.3630 eV处与氢相关的中性施主束缚激子峰(I4)及其位于3.331 eV处的双电子卫星峰(TES)。采用退火的方法,通过观测I4峰的强度变化,研究了氢在ZnO∶H薄膜中的热稳定性。发现随着退火温度的升高,I4峰的强度逐渐减弱,表明在高温下退火,氢会从ZnO薄膜中逸出。     

常压化学气相沉积技术生长ZnO∶H薄膜的光学性质

采用常压金属有机物化学气相沉积技术(APMOCVD),以二乙基锌(DEZn)为Zn源,去离子水(H2O)为氧源,N2作载气,在外延ZnO薄膜的反应气氛中通入少量氢气,在cAl2O3衬底上生长出了ZnO∶H薄膜。用X射线双晶衍射和光致发光谱对ZnO∶H薄膜的结晶性能和光学性质进行表征。结果表明,ZnO∶H薄膜(002)和(102)面的Ω扫描半峰全宽分别为46.1 mrad和81.4 mrad,表明该薄膜具有良好的结晶性能；室温下,ZnO∶H薄膜具有较强的紫外光发射(380 nm),在低温10 K光致发光谱中观测到位于3.3630 eV处与氢相关的中性施主束缚激子峰(I4)及其位于3.331 eV处的双电子卫星峰(TES)。采用退火的方法,通过观测I4峰的强度变化,研究了氢在ZnO∶H薄膜中的热稳定性。发现随着退火温度的升高,I4峰的强度逐渐减弱,表明在高温下退火,氢会从ZnO薄膜中逸出。     

MOCVD法生长ZnO薄膜的结构及光学特性

采用MOCVD方法在c Al2 O3衬底上生长出了具有单一c轴取向的ZnO薄膜 ,采用X射线衍射 (XRD)、Raman散射、X射线光电子能谱 (XPS)及光致发光 (PL)谱等方法对ZnO薄膜的结构及光学特性进行分析测试。XRD分析只观察到ZnO薄膜 (0 0 0 2 )衍射峰 ,其FWHM数值为 0 1 84°。Raman散射谱中 ,4 35 32cm- 1 处喇曼峰为ZnO的E2 (high)振动模 ,A1 (LO)振动模位于 5 75 32cm- 1 处。XPS分析表明 :ZnO薄膜表面易吸附游离态氧 ,刻蚀后ZnO薄膜O1s光电子能谱峰位于 5 30 2eV ,更接近Zn—O键中O1s电子结合能 (5 30 4eV)。PL谱中 ,在3 2 8eV处观察到了自由激子发射峰 ,而深能级跃迁峰位于 2 5 5eV ,二者峰强比值为 4 0∶1 ,表明生长的ZnO薄膜具有较高的光学质量     

Interfacial Properties of AlN／Si（111） Grown by Metal—Organic Chemical Vapour Deposition

We have studied the interfacial structures of AlN/Si(111) grown by metal-organic chemical vapour deposition.X-ray photoelectron spectroscopy and Anger electron spectroscopy were used to analyse the components and chemical structures of AlN/Si(111).The results indicated that a mix-crystal transition region,approximately 12nm,was present between the AlN film and the Si substrate and it was composed of AlN and Si3N4.After analysis we found that the existence of Si3N4 could not be avoided in the AlN/Si(111) interface because of strong diffusion at 1070℃.Even in AlN layer Si-N bonds,Si-Si bonds can be found.     

以Au为缓冲层在Si衬底上生长ZnO薄膜

采用化学气相沉积(CVD)方法在Si(001)衬底上分别制备了有金属Au缓冲层以及无Au缓冲层的ZnO薄膜。其中Au缓冲层在物理气相沉积(PVD)设备中蒸发,厚度大约为300nm。有Au缓冲层的ZnO薄膜晶体质量比直接在Si衬底上生长有了显著提高。利用X射线衍射(XRD)研究了所生长ZnO薄膜的结晶质量,有Au缓冲层的ZnO薄膜虽然仍为多晶,但显示出明显的择优取向。用光学显微镜研究了ZnO薄膜的表面特征,金属Au缓冲层显著地提高了在Si衬底上生长的ZnO薄膜的晶粒尺寸及平整度。同时利用室温光致发光(PL)谱研究了ZnO薄膜的光学性质,并分析了有Au缓冲层的ZnO薄膜NEB发光峰强度反而弱的可能原因。     

Near Band-Edge and Mid-Gap Photoluminescence of a ZnO Thin Film Grown on a （001） silicon Substrate

A nominally undoped wurtzite ZnO thin film of highly c-axis orientation was successfully grown on (001) silicon by metal-organic chemical vapour deposition, and its photoluminescence was measured as a function of excitation intensity at room temperature. The ZnO sample exhibited a strong near band-edge (NBE) line at 379.48nm (3.267eV) and a weak broad green band around-510 nm (2.43eV), showing a linear and sublinear excitation dependence of the luminescence intensity, respectively. No discernible intensity dependence of lineshape and emission peak was found for the NBE line. On the other hand, the peak energy of the green luminescence was found to increase nearly logarithmically with the increasing excitation intensity. The above results clearly indicate that in the ZnO epilayer, the NBE line was due to an excitonic spontaneous emission, while the mid-gap green luminescence can be assigned to the tunnel-assisted donor-acceptor pair (DAP) radiative recombination.Moreover, we obtained an energy depth β-11.74 meV for the potential wells due to the fluctuating distribution of the unintentional impurities/defects responsible for the tunnel-assisted DAP emission.     

Si衬底对ZnO薄膜性能影响的研究

使用脉冲激光沉积(pulsed laser deposition,PLD)技术,采用两种不同纯度(99.5%和99.99%)的ZnO靶材,在p型Si衬底上制备了两种ZnO/Si薄膜.原子力显微镜与X射线衍射分析表明,两种样品具有相似的显微形貌与相同的晶体结构.霍尔效应测试发现,两种ZnO/Si薄膜都展现出了低电阻率、高迁移率的电学性能,但是其导电类型完全相反.研究结果表明,衬底的性能对霍尔效应测试有巨大影响.利用二次离子质谱仪,发现了在低纯度的样品中存在着S杂质向Si衬底中扩散的现象,并直接导致了衬底的导电性能的反型.     

ZnO薄膜的制备和发光特性的研究

用射频磁控溅射的方法在石英衬底上沉积了氧化锌薄膜,在室温下测量了样品的XRD曲线、吸收光谱以及光致发光光谱。探讨了气氛中氧气与氩气比对制备薄膜的影响,从XRD谱中可以看出,样品具有较好的结晶状态。另外,样品在紫外有较强的吸收,而其光致发光也是较强的紫外发射,这表明带间跃迁占了主导地位,以上结果说明：用溅射方法制备的ZnO薄膜结晶质量较好,富锌状态有所改善。     

In掺杂ZnO薄膜的制备及其特性研究

采用射频反应溅射技术在硅(100)衬底上制备了未掺杂和掺In的ZnO薄膜。掠角X射线衍射测试表明,实验中制备的掺In样品为ZnO薄膜。用X射线衍射仪、原子力显微镜和荧光分光光度计分别对两样品的结构、表面形貌和光致发光特性进行了表征,分析了In掺杂对ZnO薄膜的结构和发光特性的影响。与未掺杂ZnO薄膜相比,掺In ZnO薄膜具有高度的C轴择优取向,同时样品的晶格失配较小,与标准ZnO粉末样品之间的晶格失配仅为0．16％;掺In ZnO薄膜表面平滑,表面最大不平整度为7nm。在掺In样品的光致发光谱中观察到了波长位于415nm和433nm处强的蓝紫光双峰,对掺In样品的蓝紫双峰的发光机理进行了讨论,并推测出该蓝紫双峰来源于In替位杂质和Zn填隙杂质缺陷。     

用锌有机源和CO2/H2混合气源PECVD沉积ZnO薄膜

在等离子体作用下,以CO2/H2混合气为氧源,Zn(C2H5)2锌为锌源,在单晶硅上生长出高度择优取向的氧化锌薄膜。X射线衍射分析表明,薄膜为六方结构,c轴高度择优;原子力显微镜观察到晶粒是有规律地按六方排布,薄膜的表面粗糙度较小;从光致发光谱还发现在380 nm处有非常强的紫外峰。     

MOCVD生长中载气H2对N掺杂ZnO性质的影响

采用MOCVD方法在石英衬底上生长ZnO。实验使用二乙基锌(DEZn)为锌源,N2O作为氧和氮源,H2作为载气。采用PL和Raman光谱方法对ZnO样品进行表征,结果表明H2的加入大幅度减少薄膜中碳的掺入,明显改善了薄膜的光学质量。采用N2O离化技术,可以进一步提高其带边峰的强度,抑制带内发光。XRD测量表明,生长的ZnO薄膜具有c轴择优取向。目前生长高质量N掺杂的p型ZnO薄膜是很困难的,而H2作为载气的加入明显改善了ZnO薄膜的光学性质,在生长过程中加入H2将为获得高质量N掺杂的p型ZnO薄膜提供一种途径。     

生长条件和退火对金刚石薄膜光学性质的影响

提出一种分析微波等离子体化学气相沉积工艺条件对金刚石薄膜的组成和光学性质影响的方法。采用红外椭圆偏振光谱仪来分析Si衬底上金刚石薄膜的组成和光学性质,研究微波等离子体化学气相沉积法生长条件和退火工艺对金刚石薄膜的消光系数和折射率的影响。实验表明金刚石薄膜中存在C—H、C=C、O—H和C=O键,生长条件对薄膜中C—H和C=C键的含量及薄膜的折射率影响较大;薄膜经过退火后薄膜的光学性质得到明显改善。