摘 要:利用磁控射频溅射法制备了ZnO薄膜,制备过程中控制不同的氧分压值,并通过采用不同的退火温度获得了系列样品,测定了其光致发光谱。发现样品的主要发光峰位随氧分压增大出现蓝移,随退火温度的升高而发生红移。从导带底到锌缺陷形成的受主能级之间的跃迁可能是产生蓝光发射的原因。
　　关键词:ZnO薄膜 退火温度 氧分压 光致发光
　　中图分类号:O484.1 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)03(c)-0001-01
　　
　　ZnO具有较宽的禁带(Eg=3.13eV),在大气中化学和热稳定性较强,是容易实现量子尺寸效应的半导体材料[1]。当ZnO中掺杂其它离子或存在内部缺陷时,就会对其电学及光学性质产生巨大的影响,薄膜制备方法不同,所得样品的电学和光学性质也会有所不同[2]。本文采用射频磁控溅射法制备了ZnO薄膜,采用不同的氧分压和退火温度处理,从而改变薄膜中的氧缺陷和锌缺陷浓度,PL光谱测量结果表明,氧缺陷和锌缺陷浓度的变化导致了薄膜PL中心发光峰位的漂移。
　　
　　1 实验
　　磁控溅射法制备ZnO薄膜,射频频率为13MHz,输入功率为280W。采用高纯度ZnO靶,沉积时硅基片的温度为室温,溅射气压为1.8Pa,各样品沉积时间均为40min。在纯氧气下制备样品三块,采用不同温度進行真空加热后处理,退火温度分别为200℃、350℃和500℃,保温时间均为45min;在溅射室通入氧气和氩气的混合物气体,氩气的流量固定为4.5sccm,控制氩气和氧气的混合比分别为1∶3、1∶2、1∶1,制备三块样品。利用荧光分光计测试样品的PL光谱,激发波长为230nm,测试波长范围为350nm～600nm。
　　
　　2 结果与讨论
　　图1为使用射频溅射法在不同氧氮混合比下制备的样品的PL谱,A、B、C图线分别代表由高到低不同的富氧度样品。当氩气和氧气的混合比为1∶1时,样品C的PL光谱图中在390nm,430nm和520nm附近各有一个较为明显的发光峰,其中430nm的发光峰强度最大,390nm的发光峰窄而弱,位于520nm的发光峰宽而弱;随着制备过程中氧流量的增大,A、B图线中均出现了位于460nm附近的锐峰;另外A图在410nm附近,B图在420nm附近各有一明显的窄而锐的发光峰,较之C图有明显蓝移。(如图1）
　　近紫外发光峰出现的主要原因是源于导带和价带之间的带间跃迁,而紫峰是源于自由激子复合。由于光激发形成自由激子所需要的能量比激发自由电子从价带跃迁到导带需要的能量要小,所以其复合发光的概率大,强度也更强。而激子的分布密度与发光体的结晶状态有关,随着制备时氧流量的增加,薄膜中的缺陷有所减少,激子浓度也随之增加,使得紫峰的强度上升。制备时氧气流量较小的样品,它们的氧原子和锌原子的个数比会比富氧时更加偏离标准化学计量比,从而可能导致发光带尾的存在,带-带复合和自由激子复合的发光中心也分别从带边态移向带尾态。在低氧流量下制备的样品C中含有较多的氧空位缺陷,它的PL光谱有明显的绿峰,当增加氧流量后会使得氧空位缺陷减少,锌空位缺陷增加,施主和受主能级之间的跃迁受到抑制,从而使制备的样品A和B的绿峰消失。但是由导带底到受主能级之间的跃迁会得到增强,形成了强的蓝光带发射,这也是随氧流量的增加,位于紫外区域的发光峰蓝移的主要原因。(如图2）
　　图2是纯氧条件下制备的样品,经过真空加热退火处理后的ＰＬ光谱图,样品a,b和c的退火温度分别为150,300和450℃。样品a的PL光谱主要有三个主要的发光峰,分别位于370nm,400nm和470nm,随退火温度的提高,样品b、c近紫外峰和紫峰变得尖锐,峰位出现一定程度的红移,这说明经过加热后处理后,薄膜的结晶状态得到了明显的改善。
　　
　　3 结语
　　本文使用射频磁控溅射法制备了ZnO 薄膜,改变制备过程中的氧所与氩气的混合比以及对纯氧气制备的样品采用不同的退火温度,改变ZnO薄膜中氧缺陷和锌缺陷的分布状况。测定了薄膜的ＰＬ图谱,结果显示随着样品中富氧程度的提高,发光峰位出现蓝移;随退火温度的提高,发光峰位变得更为窄锐明显,并有一定程度的红移。
　　
　　参考文献
　　[1] Mitra A and Tareja P K2001[J].Appl .Phys.89 2025.
　　[2] Kohan A F.Ceder Gand Morgan D 2000 Phys.Rev.B 61 15019.
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