不同过渡层对ZnO薄膜的影响

李敏君 赵祥敏 赵文海 张 伟

（1.牡丹江师范学院工学院 黑龙江 牡丹江 157012；2.牡丹江师范学院新型碳基功能与超硬材料省级重点实验室 黑龙江 牡丹江 157012；3.黑龙江商业职业学院 黑龙江 牡丹江 157011）

0 引言

目前，人们己经探索了多种生长ZnO薄膜的技术，但是，在薄膜生长技术中，衬底的选择是极其重要的一个环节，如果没有合适的衬底材料，外延薄膜的质量也会受到影响。大量研究表明，在Si衬底上生长ZnO薄膜具有重要的意义[1]，然而由于ZnO和Si之间的晶格失配度大，而且两者热膨胀系数相差很大,所以在Si衬底上直接生长出高质量的ZnO薄膜不是很理想。为了解决以上问题,在Si衬底和ZnO外延层之间引入过渡层是目前被广泛采用的方法。过渡层不仅可以阻止衬底的氧化，而且也能缓解由于晶格失配和热失配而引起的张应力[2]。

从经济角度和ZnO与各种基片的晶体结构是否相同、晶格失配率大小和热膨胀系数是否相近等各种因素考虑，我们选用AlN和Al2O3为过渡层，采用射频磁控溅射[3]技术，通过对薄膜生长工艺的摸索，研究总结不同过渡层对ZnO薄膜的影响，完善其制备工艺，提高ZnO薄膜质量，从而改善实用化器件的光电性能。

1 实验

实验分三大组，各组最佳具体参数如表1所示。

在表1（A）组和表1（B）组得到的样品上，利用表1（C）组实验参数制备了两块ZnO薄膜。样品编号分别为样品1和样品2。

表1 制备ZnO/AlN(Al2O3)复合膜的工艺参数

图1 不同过渡层下ZnO薄膜的AFM图像

2 结果与讨论

2.1 表面形貌分析

使用CSPM4000型的原子力显微镜对样品表面形貌进行观测。图1为不同过渡层下ZnO薄膜的AFM三维图像，其中样品1和样品2分别为AlN过渡层和Al2O3过渡层下ZnO薄膜的AFM三维图像。

从图1中可以看出，以AlN为过渡层的ZnO薄膜粗糙度更小,结晶更致密，晶粒呈圆球密堆结构，膜面更光滑。而以Al2O3为过渡层的ZnO薄膜粗糙度较大，结晶较稀疏，晶粒大小不均匀，可见引入AlN过渡层后,在AlN过渡层表面,溅射分子更易成核，更易于形成优质的ZnO薄膜。

我们还研究了不同过渡层下ZnO薄膜的粗糙度，其中样品1的平均表面粗糙度（Sa）为15.5nm，均方根粗糙度(Sq)为18.9nm；样品2的平均表面粗糙度（Sa）为16nm，均方根粗糙度(Sq)为20.2nm。由分析结果可知,以AlN为过渡层的ZnO薄膜样品的Sa和Sq均小于以Al2O3为过渡层的ZnO薄膜，这与AFM图像得到的结论相符。

2.2 XRD测试分析

所有ZnO薄膜样品的X射线衍射(XRD)测试均是利用D/MAX-2200型X射线衍射仪测试的。图2为ZnO薄膜的XRD衍射图谱。

图2 不同过渡层下ZnO薄膜的XRD衍射图谱

由图2可见，在2θ=30°～60°扫描范围内，两种样品的ZnO薄膜都只有一个衍射峰，由PDF卡片库可知，此峰是ZnO（002）取向的衍射峰。这说明，在此条件下，无论是以AlN/Si为过渡层，还是以Al2O3/Si为过渡层，ZnO都会有高度的C轴择优取向。

为了进一步讨论不同过渡层对ZnO薄膜的影响，我们测试了两种样品ZnO薄膜（002）衍射峰的衍射角（2θ）和半峰宽（FWHM）。样品1(ZnO/AlN/Si)的 2θ 为 34.4°，FWHM 为 0.315°；样品 2（ZnO/Al2O3/Si）的2θ 为 34.5°，FWHM 为 0.317°

由此可见，以AlN为过渡层的ZnO薄膜的衍射峰位更接近ZnO体材料的衍射峰位34.421°，半峰宽越小，根据Scherrer方程D=0.9λ/Δθcosθ(式中,D为晶粒的尺寸,λ为X-ray波长，Δθ为衍射峰的半高宽,θ为此衍射峰所对应的衍射角)可见,半峰宽越小，结晶质量越高[2]。因此，可以说明在该生长条件下，引入AlN过渡层比引入Al2O3过渡层，样品的晶粒更大，结晶质量更高，ZnO薄膜的结晶质量得到明显改善[4]。

2.3 霍尔测试分析

本实验中样品的霍尔测试均采用范德堡方法，在HL5550霍尔测试仪上完成。表2为由霍尔测试仪测试不同过渡层下ZnO薄膜样品的电学参数及导电类型。

表2 不同过渡层下ZnO薄膜样品的电学参数及导电类型

从表2中可以看出，两种样品ZnO薄膜的导电类型也都是N型，而且以AlN为过渡层的ZnO薄膜，其电阻率明显低于以Al2O3为过渡层的ZnO薄膜。这是由于ZnO和AlN的晶格失配度比和Al2O3的小，热膨胀系数比和Al2O3的更相近，所以以AlN为过渡层外延生长的ZnO薄膜结晶质量更高，薄膜内部的应力减小，位错、晶界缺陷等缺陷浓度低，电阻率减小。

3 结论

以上研究表明，以AlN为过渡层制备的ZnO薄膜比以Al2O3为过渡层制备的ZnO薄膜结构和电学性能要好。而且通过以上研究发现，过渡层是影响ZnO薄膜结构和电学特性的一项重要因素。

［1］赵祥敏,李敏君,张伟，等.不同溅射时间下AlN缓冲层对ZnO薄膜的影响[J].哈尔滨理工大学学报，2012,4(17):114-115.

［2］赵祥敏，李敏君，张伟，等.磁控溅射制备AlN过渡层ZnO薄膜及其性能研究[J].科技信息，2011(1)：52.

［3］李爽,王凤翔,付刚，等.射频磁控溅射制备ZnO光波导薄膜[J].山东建筑大学学报，2010,25(1):10-11.

［4］向嵘，王新，姜德龙，等.基于氧化铝缓冲层的Si基ZnO薄膜研究[J].兵工学报，2008(8)：1064-1066.