退火温度对N掺杂ZnO薄膜结构和电学性能的影响

赵祥敏++赵文海++孙霄霄++张梅恒++李敏君

摘要：实验采用射频磁控溅射技术，在Si（100）衬底上制备了ZnO薄膜。对制备的ZnO薄膜分别在不同温度下（400℃、500℃、650℃、850℃）进行了真空条件下的退火处理，并对退火条件下的ZnO薄膜进行了结构和电学性能的研究。经研究结果表明：通过退火处理后的ZnO薄膜的生长依然是（002）择优取向，当退火温度高于650℃时实现了ZnO由n型到p型的转变。

关键词：ZnO薄膜；射频磁控溅射；退火温度；电学性能；退火处理 文献标识码：A

中图分类号：O484 文章编号：1009-2374（2017）04-0066-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.034

1 概述

由于ZnO薄膜的性能受后处理工艺参数特别是退火工艺的影响较大，因此，讨论退火处理对ZnO薄膜结构和电学性能的影响具有十分重要的意义。为此，本实验以Si（100）为衬底，采用射频磁控溅射技术在一定沉积条件下制备出ZnO薄膜，在不同退火温度条件下对ZnO薄膜进行后续处理，旨在探讨退火温度对ZnO薄膜结构和电学性能的影响。

2 实验

实验所用的靶材是ZnO（99.99%）陶瓷靶，其直径为60mm，厚度为5mm，靶基距为50mm。沉积前，先把Si（100）衬底放在丙酮中进行超声清洗20min，再在酒精中进行超声清洗20min，然后用去离子水清洗，并用高纯氮气吹干后放入真空室。溅射室本底真空度为5.010-4Pa，工作气体为N2（99.99%）：Ar2（99.99%）=10sccm：50sccm混合气体，溅射功率为200W，沉积时间为50min，衬底温度为300℃，工作气压为0.3Pa。取上述制备的5片样品进行后续处理，其中1片不进行退火处理，另4片样品分别在400℃、500℃、650℃、850℃温度条件下对样品进行退火1h后随炉冷却。未进行退火以及退火后的样品编号分别为a（未退火）、b（400℃）、c（500℃）、d（650℃）和e（850℃）。

3 结果与讨论

3.1 XRD测试分析

ZnO薄膜的XRD衍射图谱如图1所示。由图1可见，所有样品都只有一个ZnO（002）衍射峰，这说明无论有无真空退火处理，ZnO薄膜的C轴择优取向度都会非常高。

从图1还可以看到，退火条件不同ZnO薄膜的生长程度也不同。当退火温度在400℃和500℃时，薄膜有明显的c轴取向生长优势，ZnO（002）衍射峰的强度明显提高，原因可能是由于在退火温度较高的条件下，粒子获得的迁移能量较高，这对薄膜表面原子的扩散和粒子迁移到晶格位置提供了有利条件，以此促进薄膜沿着能量较低的（002）面生长，从而有利于提高薄膜的c轴取向。当退火温度高于650℃时，虽然薄膜的c轴取向生长优势明显，但ZnO（002）晶面衍射峰的强度却呈明显下降趋势。原因可能是由于退火温度过高薄膜开始发生重结晶或者是由于ZnO薄膜和Si衬底的热膨胀系数不匹配，使ZnO薄膜表面的粗糙度变大，衍射峰强度明显下降造成的。由此得知，退火温度会对ZnO薄膜的结构产生显著的影响。

为进一步研究退火温度对ZnO薄膜的影响，我们测试了不同退火温度下ZnO薄膜（002）衍射峰的峰强（Intensity）、衍射角（2θ）和半高宽（FWHM），如表1所示：

由表1可见，随着退火温度的逐渐升高，ZnO薄膜（002）的XRD衍射峰值变强，半高宽变小，晶粒逐渐生长，通过500℃退火处理的薄膜结晶状态最好。但是，随着退火温度的进一步升高，ZnO薄膜（002）的衍射峰强度变弱，半高宽变大，这表明薄膜的晶粒开始团聚，结晶状态变差。从表1中我们还发现，随着退火温度的逐渐升高，ZnO薄膜的半高宽先减小后增大。這说明，ZnO薄膜的结晶质量随着退火温度的升高先变好后变差。同时我们也注意到，ZnO薄膜（002）的衍射峰逐渐向大角度方向偏移，这可能是由于随着退火温度的升高，N掺杂ZnO中的N原子逐渐进入O的晶格位置而成为受主的缘故，因为Zn-N键的键长比Zn-O键的键长小，所以N原子替代晶格中的氧原子会使样品的晶格常数变小。

3.2 霍尔测试分析

不同退火温度下样品的电学参数及导电类型如表2

所示：

由表2可见，未退火以及经500℃以下退火ZnO薄膜的载流子浓度增大，电阻率减小，导电类型是N型。

当退火温度较低时，薄膜中的晶粒尺寸较小，晶粒间界散射占主导地位。随着温度的升高，薄膜中的晶粒变大，从而减少了载流子的散射而使载流子的迁移率增加。与此同时，薄膜中氧空位的浓度也增加，薄膜中载流子的浓度随之增加，从而降低了薄膜的电阻率。

而当退火温度进一步升高，从结果可以看出，当退火温度低于500℃时，导电类型没有实现n型到p型的转变，只有当温度升高到650℃和850℃时才出现了n型到p型的转变。但是，在850℃退火后的薄膜虽然也实现了n型到p型的转变，但其电导率却下降了。原因可能是由于温度过高，在消除注入引起的缺陷的同时也会使ZnO薄膜在高温下分解，氧原子逸出后可在薄膜表面留下较多的氧空位，分解严重时甚至影响到体内的Zn、O原子浓度的平衡。因此，在过高的温度条件下，本征点缺陷增多，使自补偿效应显著增加，不利于导电类型从n型到p型的转变，因此我们认为退火处理对样品的电学性能影响很大。

4 结语

通过对后处理退火温度条件下ZnO薄膜结构和电学性能的影响研究发现，退火处理能改善ZnO薄膜的结晶质量，而且随着退火温度进一步升高，实现了ZnO由n型到p型的转变。退火温度为650℃时制备的p型ZnO薄膜电学性能较好。

参考文献

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[3] 杜记龙，江美福，张树宇，等.退火温度对用PIII方法制备共掺杂p型ZnO薄膜结构和性能的影响[J].苏州大学学报（自然科学版），2011，1（27）.

基金项目：牡丹江市科学技术计划项目：通过退火等工艺对N掺杂ZnO薄膜的制备及其电学性能研究，项目编号为Z2016g0003。

（责任编辑：蒋建华）