Al-N 共掺杂制备ZnO 薄膜及其性能研究

赵文海 李敏君 赵祥敏 张 伟

（1.牡丹江师范学院 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）

0 引言

ZnO作为一种宽带隙（禁带宽度为3.37eV）的光电半导体材料[3]，ZnO是II-VI族化合物，具有禁带宽、激子束缚能高，不仅能制成良好的半导体和压电薄膜，亦能通过掺杂制成良好的透明导电薄膜，此外，ZnO薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂。ZnO薄膜所具有的这些优异特性，因而被广泛应用于太阳能电池、液晶显示、透明导电膜（TCO）、气敏传感器、表面声波器件（SAW）、压敏器件、紫外光探测器、显示以等方面[4]。目前，对ZnO半导体材料研究的热点和重点在于：（1）如何获得性能优异且可重复生长的p型ZnO；（2）ZnO纳米结构的生长极其特殊性能的研究与应用。

实验

靶材：掺杂质量2%Al的ZnO：Al陶瓷靶

衬底：ITO（In2O3：Sn）玻璃、n-Si（111）、普通载玻片

靶基距：11cm

衬底温度：室温（RT）、150℃、250℃、300℃

工作气氛：Ar（99.99%）、N2（99.99%）

气体流量：Ar：25sccm、N2：25sccm

工作气压：1.6Pa

溅射功率：125W

溅射时间：30min

1 表面形貌

图1 不同衬底温度下制备Al-N共掺杂的ZnO薄膜AFM图像

如图 1 所示，（1）、（2）、（3）、（4） 分别代表衬底温度室温（RT）、150℃、250℃、300℃时 n型 Si（111）衬底表面溅射沉积的 Al-N 共掺杂的ZnO薄膜的AFM图像。

由图可知，随着衬底温度的不断升高，薄膜颗粒尺寸也相应变大。而且，与未掺杂的ZnO薄膜，在同样衬底温度下制备相比，Al-N共掺杂的ZnO薄膜颗粒尺寸明显降低。衬底温度的上升有利于提高薄膜的表面平整度，再与同样衬底温度下制备的未掺杂的ZnO薄膜的粗糙度相比，所制备Al-N共掺杂的ZnO薄膜是纳米级的，平整度较好，粗糙度较低，且变化较小。

2 XRD分析

图2 不同衬底温度下玻璃衬底上制备的Al-N共掺杂的ZnO薄膜的XRD衍射图谱

由图可知，在Al-N掺杂ZnO薄膜的XRD图谱中，在衬底温度升高时，只有一个较强的衍射峰，PDF卡片库可知，此峰是ZnO（002）取向的衍射峰。说明这些条件下，ZnO都会有高度的C轴择优取向。随着衬底温度的升高，（002）面衍射峰的强度逐渐增大，说明所制备的ZnO薄膜的结晶效果随衬底温度的升高而变好，衬底温度的升高使溅射出的离子获得更高的能量来优化组合，使结晶效果变好。而随着温度进一步提高，分子的蒸发影响了薄膜的结晶和表面特性的进一步提高。

通过Scherrer公式的计算，列出表1，给出了所制备的N掺杂ZnO薄膜的结构参数。

表1 不同衬底温度下制备的Al-N共掺杂ZnO薄膜的半峰宽、2θ衍射角、衍射峰强度

由表可知，Al-N共掺杂的ZnO薄膜的晶了尺寸的计算值略小于纯相ZnO薄膜，这与AFM的测试结构相符。且（002）晶面的衍射峰随着沉底温度的增高不多增强，（101）晶面衍射峰出现的原因由于衬底温度较低，溅射出的粒子在到达衬底时不能获得足够多的能量来沿着 （002）晶面生长造成的。当衬底温度逐渐升高时，（101）晶面的衍射峰就逐渐减小并最终消失，这是由于衬底温度的升高使溅射出的离子或者离子簇获得更高的热能，在到达衬底后能够获得更高的能量，有更多的机会进行优化排列，减少了薄膜中的缺陷，使薄膜取向性变好，表现在ZnO（002）衍射峰的增强。

3 霍尔测试分析

本实验对样品的霍尔测试，均采用范德堡方法，在霍尔测试仪HL5550上完成。表2为由霍尔测试仪测试不同温度下，ZnO薄膜样品的电学参数及导电类型。

表2 不同温度下Al-N共掺杂ZnO薄膜样品的电学参数及导电类型

由于ZnO中存在大量的本征缺陷，如锌间隙（Zni）、氧空位（Vo）和H等，而Zni和Vo在ZnO中呈现出施主的特性，所以本征ZnO通常呈现出N型[5]。从表2中可以看出，不同温度下ZnO薄膜的导电类型也都是N型，主要是改善薄膜的结晶质量，基本没有引起N的明显迁移。

4 结论

1）玻璃衬底沉积的Al-N共掺杂的ZnO薄膜的X射线衍射图谱中出现（002）晶面与（101）晶面的衍射峰，且（101）晶面衍射峰再衬底温度升高后消失，而（002）晶面的沿c轴取向生长的ZnO衍射峰，随衬底温度的升高逐渐变强，说明Al原子以及N原子较好地掺入ZnO晶格中，并且掺杂使薄膜的表面粗糙度降低。

2）发现衬底温度从室温升高至300℃的过程中，所有Al-N共掺ZnO薄膜都呈n型导电，可见低于300℃的沉底温度，主要是改善薄膜的结晶质量，基本没有引起N的明显迁移。

［1］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.

［2］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.

［3］Shaikh V A E，Maldar N N，Lonikar S V.Thermotropic liquid crystalline behavior of cholesterol linked hydroxyethyl cellulose[J].Journal of Applied Polymer Science，1999，72（6）：763-770.

［4］HuangMH，MaoS，FeickH.RoomtemperatureUltravioletNanowireNanolasers[J].Science，2001，292（5523）：1897-1899.

［5］王彬.磁控溅射法制备ZnO薄膜研究[D].大连理工大学：物理与光电工程学院，2010：6-7.