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ZnO,SiC,SiNx是是性能优良的宽带隙半导体材料。ZnO是直接带隙的宽禁带半导体材料,室温下的禁带宽度为3.37eV(掺杂又可进一步调制其能隙),具有高的激子束缚能(60meV),具有优异的光电特性,;经N掺杂SiC而成的SiCN材料是一种新兴的带隙可调(2.86-5.0eV)的半导体材料,具有优异的机械性能,更是一种优异的光电材料。
本论文结合退火工艺对ZnO及SiCN的薄膜结构和光学特性进行了研究,主要的研究工作如下:
1.ZnO/ZnO:Mn薄膜
利用PLD方法制备了ZnO,Zn0.95Mn0.05O,Zn0.9Mn0.1O薄膜,然后ZnO薄膜分别在500,600,700,800,900℃氮气氛和氧气氛下(2L/min)快速退火1min；Zn0.9Mn0.05O,Zn0.9Mn0.1O薄膜分别在氮气氛下快速退火(600,800,1000℃)1min。
采用常规X射线衍射(XRD),红外光谱(IR),X射线光电子能谱(XPS)等分析了薄膜的结构,采用真空紫外光谱分析了ZnO薄膜的光学特性。XRD表明,退火后薄膜结晶质量均比未退火的样品有所提高；我们通过两种气氛不同温度退火ZnO样品的研究得到优化的退火温度及退火气氛:在氮气氛下退火的ZnO薄膜样品在900℃下有最优质量和最大的晶粒尺寸,在氧气分下退火的ZnO薄膜在800℃下退火质量最优；IR显示在同样的退火温度下,氮气氛退火更利于形成高质量的薄膜。XPS拟合表征得到:ZnO薄膜退火过程中形成了更多的氧空位,氧气氛下退火较之于氮气氛下更多氧空位形成.常规光致发光光谱(325nm激发)及真空紫外光谱120nm激发得到了说明绿光的发射与氧空位有关。
ZnO:Mn样品:采用XRD和XPS进行了结构表征,并采用真空紫外光谱分析了薄膜的光学特性。研究表明ZnO掺杂后(002)衍射峰向低角度发生偏移,从而引起ZnO薄膜c方向的晶格常数增大,结晶质量变差。Zn0.95Mn0.05O,Zn0.9Mn0.1O薄膜中Mn主要是以+2价替代了Zn2+。由于掺入的Mn4+与薄膜中的填隙Zn反应自身变为Mn2+,薄膜中的填隙Zn减少,0空位增多。Zn0.95Mn0.05O,Zn0.9Mn0.1O薄膜的真空紫外光谱进一步得到薄膜的绿光的发光峰位来源于氧空位。除此之外,首次采用120nm激发观测到280nm处的发光峰,其激发光谱表明激发波长位于120nm更短的波长下。
2.SiCN薄膜
采用PECVD制备了a-SiNx:H薄膜,采取剂量为2×1017cjm-2,能量为30keV的C+室温下注入a-SiNx:H得到SiCN薄膜,薄膜在管式炉中600,800,1000,和1200℃进行Ar气氛下2小时退火。采用XPS及拉曼光谱分析其微结构及退火对薄膜结构的影响,未退火的薄膜浅表层主要是C+的聚集区。退火后C+扩散到薄膜内层并与Si,N元素反应,形成含有C,Si,N,O四元素的复杂的网络结构。注入的C+在不同深度呈现不同的浓度,原有的SiNx结构被打破。通过拉曼光谱的测量:600,800,1000,1200℃四个退火温度中800℃退火样品形成明显的SiCN结构,分析表明薄膜50-100nm存在SiC和SiNx结构,250nm处形成N原子桥接Si,C原子的三元结构,并通过拟合证明Si-N-C化学键的存在。