退火温度对掺氮ZnO薄膜结构和光电特性的影响.pdf

第２９卷第７期半导体学报犞狅犾．２９犖狅．７
２００８年７月犑犗犝犚犖犃犔犗犉犛犈犕犐犆犗犖犇犝犆犜犗犚犛犑狌犾狔，２００８

退火温度对掺氮犣狀犗薄膜结构和光电特性的影响

钟声徐小秋孙利杰林碧霞傅竹西

（中国科学技术大学物理系，合肥２３００２６）

摘要：采用犣狀３犖２热氧化法在直流磁控溅射设备上制备了掺氮犣狀犗薄膜（犣狀犗：犖），研究了不同退火温度对样品结构和

光电特性的影响．犡射线衍射谱（犡犚犇）结果表明，犣狀３犖２在６００℃以上退火即可转变为犣狀犗：犖薄膜．犡射线光电子能谱

（犡犘犛）发现，在热氧化法制备的犣狀犗：犖薄膜中，存在两种与犖相关的结构，分别是犖原子替代犗（受主）和犖２分子替代犗
（施主），这两种结构分别于不同的退火温度下存在，并且７００℃下退火的样品在理论上具有最高的空穴浓度，这一点也由霍

尔测量结果得到证实．同时，从低温犘犔光谱中观察到了与犖狅受主有关的导带到受主（犉犃）和施主受主对（犇犃犘）的跃迁，

并由此计算出热氧化法制备的犣狀犗：犖薄膜中的犖狅受主能级位置．

关键词：热氧化；犣狀犗；犡犘犛；受主能级
犘犃犆犆：８１１５犌；３３６５犉；７８４０
中图分类号：犜犖３０４２＋５文献标识码：犃文章编号：０２５３４１７７（２００８）０７１３３００４

真空室内背底真空抽至６×１０－４犘犪，经过２０犿犻狀的预溅

１引言射之后在犃犾２犗３衬底上生长犣狀３犖２薄膜．生长时衬底
温度控制在３５０℃，溅射功率为３０犠，经过１犺生长后得
近年来，宽禁带半导体材料犣狀犗受到人们的广泛到的薄膜厚度约为３００狀犿．
关注．因其具有室温下３３７犲犞的禁带宽度和６０犿犲犞本文中犡射线衍射谱（犡犚犇）由日本犕犃犆犛犆犐
的激子结合能，因而在紫外发光器件方面具有巨大的应犈犖犆犈公司犕１８犡型犡射线衍射仪测量得到，犡射线
［］
用前景１．但如同很多其他的宽禁带半导体材料一样，光电子能谱（犡犘犛）由英国犞犌公司生产的犈犛犆犃犔犃犅
犣狀犗通常呈现狀型电导．目前，高质量的、稳定的狆型犕犓犐犐电子能谱仪获得，通过霍尔效应测量得到了样品
掺杂对于犣狀犗仍然较为困难，这极大地制约了犣狀犗基的载流子浓度，低温下发光光谱采用波长为３２５狀犿的
短波长器件的发展．为此，国内外研究人员尝试了多种犎犲犆犱激光器激发．
制备工艺和掺杂手段，在众多的掺杂元素中，犖以其具
有和犗相似的原子半径以及理论计算较浅的受主能３结果与讨论
级，成为最有可能获得高质量狆型犣狀犗的元素．然而，

在生长过程中，进行原位掺杂往往难以得到很高的犖图１给出了制备的犣狀３犖２以及退火后薄膜的

受主浓度，犣狀３犖２热氧化法则有效地克服了这一缺点，犡犚犇谱．从图中可以看出，退火前犡犚犇出现了犣狀３犖２
并且可以通过控制后期退火条件改变犖在犣狀犗中的（３２１），（６４０）等衍射峰，并没有观察到与犣狀犗相关的衍
［２，３］
浓度．虽然国内外已有研究人员做了这方面的工作，射峰，说明直接溅射生长的是多晶犣狀３犖２薄膜．经

但是，并没有涉及这种方法制备的犣狀犗：犖薄膜中的犖６００℃退火后，样品中与犣狀３犖２相关的衍射峰全部消
的化学状态、形成机制以及它们对薄膜的光电特性的影失，取而代之的是犣狀犗（１０１），（００２），（１００）等衍射峰，

响，本文将在这些方面进行较为深入的研究．说明此时犣狀３犖２薄膜已转变成多晶犣狀犗：犖薄膜．当退
火温度升至７００和８００℃时，犡犚犇只观察到犣狀犗（００２）
２实验和（００４）衍射峰，说明此时薄膜呈现明显的犆轴择优取
向和良好的晶体质量．图２给出了犣狀犗：犖薄膜的

本实验采用直流磁控溅射设备在犃犾２犗３（０００１）基（００２）衍射峰半高宽和晶格常数犮随温度的变化曲线，
片上制备了犣狀犗：犖薄膜．在生长之前，基片经过四氯从中可以看出，随着退火温度从６００℃升至８００℃，犣狀犗
化碳、甲苯、丙酮和无水乙醇等有机溶液清洗，以去除基（００２）衍射峰的半高宽逐渐减小，这说明犣狀犗：犖薄膜
片上的有机杂质，然后经过浓硫酸和过氧化氢混合溶液的结晶质量逐渐提高．根据（００２）峰位计算出的晶格常
处理，以去除金属氧化物等无机杂质，最后经去离子水数犮均大于单晶中的数值，这是因为晶格中部分犗格
冲洗并经氮气吹干，放置于真空室内．实验采用纯犣狀位被犖原子所占据，导致晶格中存在着应力，使得晶格
［４］
（９９９９％）金属靶，犃狉和犖２混合气体共同溅射．生长前常数相应地变大．

国家自然科学基金资助项目（批准号：５０５３２０７０）
通信作者．犈犿犪犻犾：犳狌狕狓＠狌狊狋犮．犲犱狌．犮狀
２００７１２０１收到，２００８０１０９定稿２００８中国电子学会
第７期钟声等：退火温度对掺氮犣狀犗薄膜结构和光电特性的影响１３３１

［５