氫化處理對Li-W共摻雜ZnO薄膜性能的影響

　　不同H2氣氛中通過RF 磁控濺射在石英襯底上制備Li-W 共摻雜ZnO( LWZO) 薄膜。對樣品進(jìn)行X 射線衍射、掃描電鏡( SEM) 、X 射線光電子( XPS) 、透過率以及室溫光致發(fā)光( PL) 譜分析。結(jié)果表明: 適當(dāng)氫化處理形成LWZO：H 薄膜，有助于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量；SEM 結(jié)果顯示LWZO：H 薄膜表面晶粒生長更均勻，表面更平整；薄膜的透光率保持在85% 左右。從XPS 分析可知，在H2氣氛中，H 可以有效地提高沉積粒子的活性，使W6 + 的摻雜效率提高。同時H+ 進(jìn)入LWZO 薄膜內(nèi)部可以鈍化薄膜的內(nèi)部缺陷，提高載流子濃度，增加薄膜的禁帶寬度。室溫PL 譜結(jié)果表明: LWZO 的PL 由本征發(fā)光及缺陷發(fā)光組成，經(jīng)過氫化處理的薄膜的缺陷發(fā)光減少，本征發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)。

　　氧化鋅( ZnO) 是一種直接寬禁帶氧化物半導(dǎo)體，晶體結(jié)構(gòu)屬于六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)；室溫下其禁帶寬度達(dá)到3. 37 eV，激子結(jié)合能達(dá)60 meV，成為開發(fā)藍(lán)光及紫外光電子器件的理想材料。同時，ZnO 可廣泛應(yīng)用在透明導(dǎo)電薄膜、平板顯示器、太陽能電池透明電極、化學(xué)傳感劑、表面聲波器件及有機(jī)發(fā)光二極管等相關(guān)領(lǐng)域。通常情況下，未摻雜的ZnO 薄膜表現(xiàn)出n 型導(dǎo)電，這主要是由ZnO 薄膜內(nèi)部的氧空位( VO) 、鋅填隙原子( Zni) 等本征缺陷引起；通過Ga，Al，W， In 等施主摻雜還可以實(shí)現(xiàn)對ZnO 薄膜內(nèi)部載流子濃度的控制[1]。由于ZnO 內(nèi)部的氧原子( O) 存在有吸附及解吸附的過程，造成了ZnO 薄膜的電學(xué)性能不夠穩(wěn)定。因此Van de Walle 等提出了引入氫氣( H2) 的設(shè)想，在ZnO 薄膜生長過程中，使H2作為淺施主摻雜改善ZnO 薄膜的性能。研究發(fā)現(xiàn)，在高能離子輻射的條件下經(jīng)過氫化處理的ZnO 薄膜，電學(xué)性能依然保持得很穩(wěn)定；近幾年，較多的科研工作者對H 在ZnO 薄膜內(nèi)部的作用進(jìn)行了探索研究。鎢( W) 作為高價元素，進(jìn)入ZnO 薄膜內(nèi)部可以形成更多的氧空位( Vo) ，增加載流子濃度；同時，鋰( Li) 可作為受主摻雜進(jìn)入ZnO 薄膜�？梢姎浠�處理后的Li-W 共摻ZnO( LWZO：H) 薄膜可以提高ZnO 薄膜的載流子濃度，同時增加ZnO 薄膜電學(xué)性能的穩(wěn)定性。本論文主要通過對比討論了Li-W 共摻雜( LWZO) 薄膜及LWZO：H 薄膜的結(jié)晶性能、表面形貌、光學(xué)性能的影響以及分析了氫化處理對LWZO 薄膜的摻雜效率的影響。

1、實(shí)驗(yàn)

　　本實(shí)驗(yàn)以石英玻璃為襯底采用射頻磁控濺射法，在襯底溫度為100℃下，濺射沉積LWZO 薄膜及LWZO：H 薄膜。所用的材料: 靶材( LWZQ 陶瓷靶: 99.99%，ZnO：Li2O：WO3摩爾比為97.5：1.5：1) 、濺射氣體( Ar ：99.99%) 、摻雜氣體( H2 ：99.99%) 。靶基距：70 mm；背景壓強(qiáng)為5 × 10 ^-4 Pa；工作氣壓為1 Pa，氣體總流量為30.0 mL /min( 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) ( H2 + Ar) ，氫氣流量為0.6 mL /min( H2 /( H2 + Ar) 比為0. 02) ，濺射功率為250 W，濺射沉積時間為60 min；在沉積LWZO 及LWZO：H薄膜前預(yù)濺射15 min，保證靶面清潔。得到1# 樣品LWZO 薄膜，及2#樣品LWZO：H( H2 /( H2 + Ar) 比為0.02) 薄膜。

　　LWZO：H 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)分析，采用的是德國Bruker 公司的D8Advance 型X 射線衍射( XRD)儀。測試條件: Cu 靶Kα 輻射，管電壓40 kV，電流40 mA，λ = 0.15418 nm，掃描步頻0. 02°，掃描范圍5° ～ 70°。采用FEI QuanTA-200F 型環(huán)境電子顯微鏡( ESEM) 觀察LWZO：H 薄膜的表面形貌和結(jié)構(gòu)。

　　LWZO：H 薄膜的光學(xué)透過率的結(jié)果，采用的是Backman-Du 8B 型紫外-可見分光光度計。樣品的化學(xué)元素分析，采用的是Thermo-VG Scientific ESCALAB250X 型X 射線光電子譜( XPS) 分析儀。樣品的光致發(fā)光( PL) 光譜用Hitachi F-7000 型熒光分光光度計測定，激發(fā)源為150 W 的Xe 燈，激發(fā)波長325 nm。所有測試均在室溫下完成。

3、結(jié)論

　　采用RF 磁控濺射法在石英襯底上制備LWZO和LWO：H 薄膜，并且著重研究了薄膜的結(jié)晶性、表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)透過率以及室溫光致發(fā)光性能的影響。通過XRD 和XPS 分析可知，H2流量為2%時，得帶的LWZO：H 薄膜結(jié)晶度明顯提高，同時( 002) 和( 100) 峰的2θ 值向小角度移動。沉積過程中通入H2，可以使LWZO：H 薄膜的晶粒生長更有規(guī)律，表面晶粒更均勻。XPS 結(jié)果顯示，H 原子可以提高沉積粒子的活性及表面活性能，使得W6 + 的摻雜效率升高。在400 ～ 1200 nm 波長范圍內(nèi)，LWZO 和LWZO：H 平均透過率達(dá)到85%以上，H +進(jìn)入薄膜以后可以提高載流子濃度，增大LWZO 薄膜的禁帶寬度。室溫PL 分析發(fā)現(xiàn)，LWZO 及LWZO：H 薄膜樣品的發(fā)光由本征發(fā)光及缺陷發(fā)光組成。LWZO：H 薄膜的本征發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，說明適當(dāng)H + 進(jìn)入LWZO 薄膜內(nèi)部可以有效鈍化內(nèi)部缺陷，提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。