生长温度对磁控溅射ZnO薄膜的结晶特性和光学性能的影响

孙成伟; 刘志文; 秦福文; 张庆瑜; 刘  琨; 吴世法

doi:10.7498/aps.55.1390

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摘要
采用反应射频磁控溅射方法，在Si (100) 基片上制备了具有高c轴择优取向的ZnO薄膜.利用原子力显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射分析、拉曼光谱等表征技术，研究了沉积温度对ZnO薄膜的表面形貌、晶粒尺度、应力状态等结晶性能的影响；通过沉积温度对透射光谱和光致荧光光谱的影响，探讨了ZnO薄膜的结晶特性与光学性能之间的关系.研究结果显示，在室温至500℃的范围内，ZnO薄膜的晶粒尺寸随沉积温度的增加而增加，在沉积温度为500 ℃时达到最大；当沉积温度为750℃时，ZnO薄膜的晶粒尺度有所减小；在室温至750℃的范围内，薄膜中ZnO晶粒与Si基体之间均存在着相对固定的外延关系；在沉积温度低于500℃时，制备的ZnO薄膜处于压应变状态，而750℃时沉积的薄膜表现为张应变状态.沉积温度的不同导致ZnO薄膜的折射率、消光系数、光学禁带宽度以及光致荧光特性的变化，沉积温度对紫外光致荧光特性起着决定性的作用.此外，探讨了影响薄膜近紫外光致荧光发射的可能因素.

关键词:
ZnO薄膜 /

表面形貌 /

微观结构 /

光学常数
Abstract
Using reactive radio-frequency magnetron sputtering, ZnO films with strong c-axi s orientation have been deposited on Si (100) substrates at temperatures ranging from room temperature (RT) to 750℃. We have studied the influence of growth te mperature on the structural characteristics of the as-deposited films in morphol ogy, grain size, microstructure, and residual stress by using atomic force micro scopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and Raman spectrosco py. With the measurement of the transmission spectra and photoluminescence (PL) properties, the relationship between the crystallinity and optical properties of ZnO films have been discussed. It is found that the grain size increases with t emperature up to 500℃, and then decreases at 750℃. ZnO grains have an epitaxia l relationship with Si (100) substrate for the films deposited at the temperatur es ranging from RT to 750℃. The films deposited below 500℃ are in the states o f compressive strain while the film deposited at 750℃ is in tensile. The differ ence in growth temperature results in the variation of refractive index, extinct ion coefficient, optical energy gap, and PL properties of the films. It is concl uded that growth temperature dominates the PL behavior of ZnO films. We also dis cuss the physical mechanism affecting the PL behavior.

Keywords:
ZnO film /

morphology /

microstructure /

optical constant
作者及机构信息
孙成伟¹,

刘志文¹,

秦福文¹,

张庆瑜¹,

刘琨²,

吴世法²

(1)大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，大连 116024; (2)大连理工大学物理系，大连 116024

基金项目: 国家自然科学基金(批准号：50240420656)资助的课题.
Authors and contacts
Sun Cheng-Wei¹,

Liu Zhi-Wen¹,

Qin Fu-Wen¹,

Zhang Qing-Yu¹,

Liu Kun²,

Wu Shi-Fa²

(1)大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，大连 116024; (2)大连理工大学物理系，大连 116024
参考文献

施引文献

[1]	董正琼, 赵杭, 朱金龙, 石雅婷. 入射光照对典型光刻胶纳米结构的光学散射测量影响分析. 物理学报, 2020, 69(3): 030601. doi: 10.7498/aps.69.20191525
[2]	潘磊, 宋宝安, 肖传富, 张培晴, 林常规, 戴世勋. 两种Ge-Sb-Se薄膜的光学性质及微观结构. 物理学报, 2020, 69(11): 114201. doi: 10.7498/aps.69.20200145
[3]	王毅, 郭哲, 朱立达, 周红仙, 马振鹤. 基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像. 物理学报, 2017, 66(15): 154202. doi: 10.7498/aps.66.154202
[4]	周小红, 杨卿, 邹军涛, 梁淑华. 生长条件对Ga掺杂ZnO薄膜微观结构及光致发光性能的影响. 物理学报, 2015, 64(8): 087803. doi: 10.7498/aps.64.087803
[5]	李江, 唐敬友, 裴旺, 魏贤华, 黄峰. 椭偏精确测定透明衬底上吸收薄膜的厚度及光学常数. 物理学报, 2015, 64(11): 110702. doi: 10.7498/aps.64.110702
[6]	潘宵, 鞠焕鑫, 冯雪飞, 范其瑭, 王嘉兴, 杨耀文, 朱俊发. F8BT薄膜表面形貌及与Al形成界面的电子结构和反应. 物理学报, 2015, 64(7): 077304. doi: 10.7498/aps.64.077304
[7]	景蔚萱, 王兵, 牛玲玲, 齐含, 蒋庄德, 陈路加, 周帆. ZnO纳米线薄膜的合成参数、表面形貌和接触角关系研究. 物理学报, 2013, 62(21): 218102. doi: 10.7498/aps.62.218102
[8]	于天燕, 秦杨, 刘定权. 沉积温度对硫化锌(ZnS)薄膜的结晶和光学特性影响研究. 物理学报, 2013, 62(21): 214211. doi: 10.7498/aps.62.214211
[9]	张翅, 陈新亮, 王斐, 闫聪博, 黄茜, 赵颖, 张晓丹, 耿新华. 衬底温度对反应磁控溅射W掺杂ZnO薄膜的微观结构及光电性能的影响. 物理学报, 2012, 61(23): 238101. doi: 10.7498/aps.61.238101
[10]	彭述明, 申华海, 龙兴贵, 周晓松, 杨莉, 祖小涛. 氘化及氦离子注入对钪膜的表面形貌和相结构的影响. 物理学报, 2012, 61(17): 176106. doi: 10.7498/aps.61.176106
[11]	廖国进, 骆红, 闫绍峰, 戴晓春, 陈明. 基于透射光谱确定溅射Al2O3薄膜的光学（已撤稿）. 物理学报, 2011, 60(3): 034201. doi: 10.7498/aps.60.034201
[12]	狄国庆. 溅射制备Ta2O5薄膜的表面形貌与光学特性. 物理学报, 2011, 60(3): 038101. doi: 10.7498/aps.60.038101
[13]	周毅, 吴国松, 代伟, 李洪波, 汪爱英. 椭偏与光度法联用精确测定吸收薄膜的光学常数与厚度. 物理学报, 2010, 59(4): 2356-2363. doi: 10.7498/aps.59.2356
[14]	王晓栋, 沈军, 王生钊, 张志华. 椭偏光谱法研究溶胶-凝胶TiO2薄膜的光学常数. 物理学报, 2009, 58(11): 8027-8032. doi: 10.7498/aps.58.8027
[15]	梁丽萍, 郝建英, 秦梅, 郑建军. 基于透射光谱确定溶胶凝胶ZrO2薄膜的光学常数. 物理学报, 2008, 57(12): 7906-7911. doi: 10.7498/aps.57.7906
[16]	苏伟涛, 李斌, 刘定权, 张凤山. 氟化铒薄膜晶体结构与红外光学性能的关系. 物理学报, 2007, 56(5): 2541-2546. doi: 10.7498/aps.56.2541
[17]	谷建峰, 付伟佳, 刘明, 刘志文, 马春雨, 张庆瑜. 电化学沉积高c轴取向ZnO薄膜及其光学性能分析. 物理学报, 2007, 56(10): 5979-5985. doi: 10.7498/aps.56.5979
[18]	刘志文, 谷建峰, 孙成伟, 张庆瑜. 磁控溅射ZnO薄膜的成核机制及表面形貌演化动力学研究. 物理学报, 2006, 55(4): 1965-1973. doi: 10.7498/aps.55.1965
[19]	赵跃智, 陈长乐, 高国棉, 杨晓光, 袁孝, 宋宙模. Mn掺杂ZnO薄膜的结构及光学性能研究. 物理学报, 2006, 55(6): 3132-3135. doi: 10.7498/aps.55.3132
[20]	王成伟, 王建, 李燕, 刘维民, 徐洮, 孙小伟, 力虎林. 多孔阳极氧化铝薄膜光学常数的确定. 物理学报, 2005, 54(1): 439-444. doi: 10.7498/aps.54.439

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生长温度对磁控溅射ZnO薄膜的结晶特性和光学性能的影响

1. (1)大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，大连 116024; (2)大连理工大学物理系，大连 116024

基金项目: 国家自然科学基金(批准号：50240420656)资助的课题.

收稿日期: 2005-08-10

修回日期: 2005-08-27

刊出日期: 2006-03-20

摘要: 采用反应射频磁控溅射方法，在Si (100) 基片上制备了具有高c轴择优取向的ZnO薄膜.利用原子力显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射分析、拉曼光谱等表征技术，研究了沉积温度对ZnO薄膜的表面形貌、晶粒尺度、应力状态等结晶性能的影响；通过沉积温度对透射光谱和光致荧光光谱的影响，探讨了ZnO薄膜的结晶特性与光学性能之间的关系.研究结果显示，在室温至500℃的范围内，ZnO薄膜的晶粒尺寸随沉积温度的增加而增加，在沉积温度为500 ℃时达到最大；当沉积温度为750℃时，ZnO薄膜的晶粒尺度有所减小；在室温至750℃的范围内，薄膜中ZnO晶粒与Si基体之间均存在着相对固定的外延关系；在沉积温度低于500℃时，制备的ZnO薄膜处于压应变状态，而750℃时沉积的薄膜表现为张应变状态.沉积温度的不同导致ZnO薄膜的折射率、消光系数、光学禁带宽度以及光致荧光特性的变化，沉积温度对紫外光致荧光特性起着决定性的作用.此外，探讨了影响薄膜近紫外光致荧光发射的可能因素.

关键词:

Influences of growth temperature on the crystalline characteristics and optical properties for ZnO films deposited by reactive magnetron sputtering

1.
(1)大连理工大学三束材料改性国家重点实验室，大连 116024; (2)大连理工大学物理系，大连 116024

Received Date: 10 August 2005

Accepted Date: 27 August 2005

Published Online: 20 March 2006

Abstract: Using reactive radio-frequency magnetron sputtering, ZnO films with strong c-axi s orientation have been deposited on Si (100) substrates at temperatures ranging from room temperature (RT) to 750℃. We have studied the influence of growth te mperature on the structural characteristics of the as-deposited films in morphol ogy, grain size, microstructure, and residual stress by using atomic force micro scopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and Raman spectrosco py. With the measurement of the transmission spectra and photoluminescence (PL) properties, the relationship between the crystallinity and optical properties of ZnO films have been discussed. It is found that the grain size increases with t emperature up to 500℃, and then decreases at 750℃. ZnO grains have an epitaxia l relationship with Si (100) substrate for the films deposited at the temperatur es ranging from RT to 750℃. The films deposited below 500℃ are in the states o f compressive strain while the film deposited at 750℃ is in tensile. The differ ence in growth temperature results in the variation of refractive index, extinct ion coefficient, optical energy gap, and PL properties of the films. It is concl uded that growth temperature dominates the PL behavior of ZnO films. We also dis cuss the physical mechanism affecting the PL behavior.

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