一種制備氧化鋅薄膜的方法和氧化鋅薄膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明薄膜制備領(lǐng)域，具體涉及一種制備氧化鋅薄膜的方法和氧化鋅薄膜。
【背景技術(shù)】
[0002] ZnO透明薄膜具有優(yōu)異的光電性能，且低廉成本，無(wú)毒，應(yīng)用十分廣泛。比如半導(dǎo)體 性質(zhì)的氧化鋅薄膜被用于在發(fā)光二極管和激光器等領(lǐng)域，而透明導(dǎo)電薄膜因?yàn)槠浣饘俚?導(dǎo)電率，可見(jiàn)光范圍內(nèi)的高透射率等廣泛地應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、顯示器和巡航導(dǎo)彈的窗口 等。
[0003] 為了制備理想的ZnO基透明導(dǎo)電薄膜，人們研究了多種制備方法。常用的有濺射 法，M0VCD (金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延），CVD (化學(xué)氣相沉積）和熱蒸發(fā)等。脈沖激光沉積 法制備薄膜是近十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種全新的制備薄膜技術(shù)，它具有制備高質(zhì)量的納 米薄膜，保持靶與薄膜成分一致等突出的優(yōu)點(diǎn)。脈沖激光沉積法制備ZnO透明導(dǎo)電薄膜的 研究尚不充分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供利用脈沖激光濺射技術(shù)制備氧化鋅薄膜的方 法。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：
[0006] -種制備氧化鋅薄膜的方法，包括以下步驟：
[0007] (1)將襯底置于基片臺(tái)上；
[0008] (2)在氧壓多0? 2Pa，襯底溫度在100°C -400°c的條件下，使用氧化鋅靶材，采用 脈沖激光濺射的方法，在襯底上濺射沉積氧化鋅薄膜。
[0009] 進(jìn)一步的，所述氧化鋅靶材的純度為99. 99%。
[0010] 進(jìn)一步的，所述步驟（2)是在在氧壓等于0. 2Pa，襯底溫度在300°C的條件下進(jìn)行 的。
[0011] 進(jìn)一步的，一種制備氧化鋅薄膜的方法制備的氧化鋅薄膜，該氧化鋅薄膜具有c 軸取向，電阻率為0.004 Q ? cm、平均可見(jiàn)光透過(guò)率超過(guò)80%。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：在氧分壓0. 2Pa、襯底溫度300°C的條件下制備的ZnO薄膜 具有一定的c軸取向、導(dǎo)電性和透過(guò)率較好，電阻率為0. 004 Q ?_、平均可見(jiàn)光透過(guò)率超過(guò) 80%;隨著氧分壓的由0. 2Pa開(kāi)始增大和襯底溫度由300°C開(kāi)始增高，薄膜的電阻率加大， 呈現(xiàn)半導(dǎo)體性質(zhì)，從而達(dá)到了制造不同電阻率的薄膜的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為不同溫度生長(zhǎng)的薄膜的XRD衍射曲線；
[0014] 圖2為ZnO薄膜的（002)面的衍射峰位置與生長(zhǎng)溫度的變化關(guān)系；
[0015] 圖3為ZnO薄膜（002)面的衍射峰半高寬FWHM與生長(zhǎng)溫度的關(guān)系圖；
[0016] 圖4為不同生長(zhǎng)溫度薄膜樣品的電阻率變化趨勢(shì)圖；
[0017] 圖5為不同氧分壓下所制備的樣品的XRD圖譜；
[0018] 圖6為不同氧壓下樣品的XRD衍射峰放大圖；
[0019] 圖7為不同氧壓下沉積的ZnO薄膜（002)衍射峰的FWHM變化趨勢(shì)圖；
[0020] 圖8為不同沉積氧壓樣品的（002)面衍射峰位變化趨勢(shì)圖；
[0021] 圖9為不同氧壓系列樣品的電阻率變化趨勢(shì)圖；
[0022] 圖10為最佳條件下制備的樣品的透射譜圖（已扣除襯底）。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0024] 實(shí)施例
[0025] 本實(shí)施例采用脈沖激光沉積（PLD)方法在石英玻璃襯底上制備了ZnO薄膜。激光 光源為德國(guó)LAMBDA公司生產(chǎn)研發(fā)的COMPEXPRO型準(zhǔn)分子激光器，激光波長(zhǎng)為248nm。實(shí)驗(yàn) 所用祀材為99.999%的2]1〇祀材。用1射線衍射（1-抑7(11€^^〇1:;[01131^))測(cè)量了薄膜樣 品的晶格結(jié)構(gòu)，以標(biāo)準(zhǔn)四引線法測(cè)量了薄膜的電阻率（P)，用臺(tái)階儀測(cè)試了薄膜厚度，并測(cè) 試了ZnO薄膜的透光性。
[0026] 實(shí)驗(yàn)中制備過(guò)程如下：實(shí)驗(yàn)中制備過(guò)程如下：
[0027](1)將洗好的玻璃襯底用銀膠粘貼于基片臺(tái)上；
[0028] ⑵將沉積系統(tǒng)抽真空達(dá)到10 4Pa。
[0029] (3)設(shè)定好襯底溫度后加熱；
[0030] (4)通入氧氣、控制氣體壓強(qiáng)；
[0031] (5)打開(kāi)激光光源，濺射沉積薄膜；
[0032] (6)沉積結(jié)束冷卻至室溫。
[0033] -方面，我們通過(guò)比較不同襯底溫度下制備的樣品性能，研究了襯底溫度對(duì)ZnO 薄膜性能的影響。具體條件為固定氧壓〇. 2Pa，激光頻率5Hz，激光能量300mJ，沉積時(shí)間為 20分鐘的條件下，改變襯底溫度，分別為室溫、20 °C、100 °C、200 °C、300 °C、350 °C。
[0034] 如圖1所示，從XRD圖譜可以看出室溫下（20°C)制備的ZnO的薄膜并無(wú)明顯的 衍射特征峰，表現(xiàn)為無(wú)擇優(yōu)取向的非晶結(jié)構(gòu)。我們分析認(rèn)為在襯底溫度較低時(shí)，吸附于襯底 表面的Zn原子和0原子能量較小，迀移率很低，不能很好地迀移到能量最低的晶格位點(diǎn)，導(dǎo) 致薄膜原子雜亂排列形成非晶結(jié)構(gòu)。相比之下在l〇〇-350°C溫度條件下制備的其他樣品都 在2 0 = 34. 4°和2 0 = 72. 4°附近出現(xiàn)了明顯的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)于ZnO的（002)晶面 和（004)晶面的衍射特征峰。表明在襯底溫度高于100°C時(shí)生長(zhǎng)的ZnO薄膜均具有高度 的垂直于襯底表面的c軸取向。其中34. 4°處的（002)峰尤為明顯，之所以存在高強(qiáng)度的 (002)衍射峰是因?yàn)閆nO的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其（002)晶面的表面能密度最低， 因此在沿（002)晶面方向具有生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)高度的c軸取向。在ZnO薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中， 原子沿著[002]方向一層層往上沉積，最終形成柱狀形式，呈現(xiàn)高度的c軸取向。
[0035] 我們對(duì)100°C至350°C生長(zhǎng)的薄膜的XRD圖譜進(jìn)行了分析，不同襯底溫度樣品所對(duì) 應(yīng)的（002)衍射峰位置和（002)衍射峰的半高寬FWHM等參數(shù)如下表一所示。
[0036] 表一：不同襯底溫度樣品所的（002)衍射峰位置和（002)衍射峰的半高寬FWHM等
[0037]
[0038] 如圖2給出不同溫度下制備的薄膜（002)衍射峰的位置變化，隨著襯底溫度從 100°C上升到350°C，薄膜的（002)衍射峰位置從33. 9°增加到34. 4°，漸漸接近ZnO塊材 的標(biāo)準(zhǔn)（002)衍射峰34.4°。根據(jù)R.Lohmann等人的研究，這與薄膜中的應(yīng)力變化有關(guān)。 隨著襯底溫度的上升，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量變好，內(nèi)部應(yīng)力在高溫時(shí)釋放，衍射峰位置逐漸移向 標(biāo)準(zhǔn)位置，體現(xiàn)出晶體結(jié)構(gòu)隨襯底溫度升高而得到優(yōu)化。
[0039] 如圖3所示，隨著襯底溫度從KKTC上升到350°C，薄膜的（002)面衍射峰半高寬 FWHM從100°C時(shí)的0. 410°減小到300°C時(shí)的0. 202°。根據(jù)Scherrer公式，半高寬的減小 說(shuō)明晶粒尺寸變大，薄膜結(jié)晶質(zhì)量?jī)?yōu)化。由此可見(jiàn)，隨著襯底溫度的升高，原子的迀移能也 隨著增大，原子獲得足夠的擴(kuò)散激活能，迀移率增大，更有利于成核和結(jié)晶，晶粒趨于c軸 方向垂直生長(zhǎng)，薄膜結(jié)晶質(zhì)量提高，晶粒變大。
[0040] 不同生長(zhǎng)溫度系列樣品的電阻率如圖4所示。隨著襯底溫度的逐漸上升，電阻率 先下降后上升，在300°C的條件下生長(zhǎng)的薄膜電阻率最小。對(duì)比先前的XRD分析可以看出 ZnO薄膜的電阻率與薄膜的結(jié)晶質(zhì)量密切相關(guān)。隨著襯底溫度的上升，薄膜結(jié)晶質(zhì)量得到優(yōu) 化，晶粒尺寸變大，晶粒之間晶界變小，載流子迀移時(shí)受到散射中心的散射減弱