Mo缓冲层在溅射ZnO薄膜中的应用

吴思诚，王 旋，范海波，郑新亮，姚合宝，赵宝华

（1.西北大学物理学系，陕西 西安 710069）（2.金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西西安 710077）

0 引言

ZnO作为一种新兴的半导体材料，其禁带宽度为3.37 eV［1］，激子束缚能高达60 meV［2］，非常适合作为短波长发光器件，且其生长成本较低，适合大规模生长［3，4］。制备ZnO薄膜的方法有很多，其中磁控溅射法制备的薄膜具有膜厚均匀，附着力强，生长速率可控等优点［5］。

硅衬底价格便宜，易于解理，并且具备良好的散热性能［6］。当前大部分的光电器件都是在硅衬底上集成，因此在硅衬底上生长ZnO薄膜具有很大的实用价值。但是硅衬底和ZnO薄膜的晶体结构完全不同，晶格常数相差很多。首先硅是立方晶体结构，晶格常数为5.43 Å；ZnO则为六角铅锌矿结构，其晶格常数a为3.25 Å，c为5.21 Å。其次硅和ZnO的热膨胀系数也有很大不同，温度为300 K时ZnO（001）方向的热膨胀系数a大约为5.0×10-6/K，而硅的热膨胀系数a约为2.6×10-6/K［7］。所以想要在硅衬底上获得高质量的ZnO薄膜还有很大的困难，两者之间存在很大的晶格失配和热失配，极易形成位错和缺陷。因此可以采用增加缓冲层的办法解决两者之间晶格失配和热失配过大的问题。

Mo的晶格常数为3.15 Å，与ZnO相近，且Mo薄膜具有热稳定性好、化学稳定性好、光反射率高、电阻率低等特性［8］。因此Mo薄膜可以作为生长ZnO薄膜的缓冲层。本文采用Mo薄膜作为Si上ZnO生长的缓冲层材料，并对ZnO薄膜的晶体性能和发光性能进行了分析对比。

1 实验

实验前将Si衬底分别放入丙酮溶液、无水乙醇溶液、去离子水中超声振荡20 min，然后用氢氟酸刻蚀。Mo缓冲层的制备采用UPD450型直流磁控溅射设备，靶材选用欧莱公司的Mo金属靶材，采用双靶共溅射模式，溅射温度为室温、溅射电流为4.0 A、溅射时间为60 min、溅射气压为0.133 Pa、Ar气流量为15 sccm。

ZnO薄膜的制备采用中科院沈阳科仪有限公司生产的JGP-560型磁控溅射仪，溅射温度为200℃、溅射时间为2 h、溅射气压为2.0 Pa、溅射功率为200 W、Ar气流量为30 sccm。

2 结果与讨论

采用日本岛津公司的XRD-7000型X射线衍射仪分析薄膜的结晶性能。图1为未添加Mo缓冲层的ZnO薄膜XRD图谱，图2为添加Mo缓冲层后ZnO薄膜的 XRD图谱。可以看出，ZnO薄膜以（002）晶面方式择优排列。采用 Mo缓冲层后，ZnO/Mo/Si薄膜的（002）衍射峰强度大约为ZnO/Si薄膜的1.5倍，而其他的衍射峰强度有略微的降低。利用高斯拟合方法计算出了（002）衍射峰的半高宽，并利用谢乐公式计算出了薄膜的平均粒径大小，结果见表1。采用了Mo缓冲层之后ZnO（002）峰的位置基本没变，而半高宽则有明显减小，对应于平均晶粒尺寸的增大。

表1 2种样品的（002）衍射峰位置、半高宽和平均粒径

为了观察采用Mo缓冲层后对ZnO薄膜表面形貌的影响，我们采用日本电子株式会社的 JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜（SEM）和日本精工的SPI3800-SPA-400型原子力显微镜（AFM）分别测试了ZnO/Si和ZnO/Mo/Si薄膜的SEM和AFM照片，分别为图3、图4、图5、图6。同时还分析了两种薄膜的表面粗糙度均方根值，结果见表2。扫描电镜截面照片显示，两种ZnO薄膜层的厚度分别为0.989 μm和1.050 μm。从图中不难看出采用Mo缓冲层后薄膜的颗粒大小明显增加，这与前面XRD测试结果相一致。AFM表面粗糙度测试发现采用了Mo缓冲层之后ZnO薄膜表面的粗糙度有所增加，这主要是因为购买的Si衬底经过了打磨等工序，表面非常平整，而Mo缓冲层表面本身并不够非常平整。同时由于采用了Mo缓冲层之后ZnO薄膜的厚度有所增加，薄膜的生长速率增大，ZnO原子沉积到基底上的速率较快，这样一来Zn、O原子没有足够的时间在基底表面进行迁移，从而导致表面粗糙不平，反而对薄膜表面的粗糙度造成了负面的影响。

图3 ZnO/Si薄膜表面和截面的SEM照片

表2 两种薄膜对应的均方根粗糙度值

利用日本日立公司的F-7000型荧光光谱仪，我们测试了ZnO/Si薄膜与ZnO/Mo/Si薄膜的光致发光谱，如图7所示，其激发光源为220 nm的氙灯。从图中可以看出在370 nm附近有一明显发光峰，对应于ZnO薄膜的带边激子发光峰。采用了Mo缓冲层之后该发光峰强度明显增大，表明ZnO薄膜的发光性能有明显的提升。联系之前XRD测试的结果，可以推测ZnO薄膜的发光性能与薄膜的结晶质量具有很大关系，较好的结晶质量可以带来较好的发光性能。

3 结论

利用Mo薄膜作为缓冲层在Si衬底上成功地生长了ZnO薄膜，对比ZnO/Si薄膜和ZnO/Mo/Si薄膜的性能，发现添加Mo缓冲层后薄膜的结晶性获得改善，晶粒尺寸有所增加，继而可以提高薄膜的发光性能。不利的一方面，采用Mo缓冲层后会导致薄膜表面的粗糙度增加。后续工作中，应该继续探索Mo缓冲层的制备工艺，尽可能获得比较高的表面平整度，以进一步提高 ZnO外延层的表面平整度。

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