沉积时间对磁控溅射法制备宽禁带半导体薄膜材料ZnS物性及光学性质的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京工业大学应用数理学院 作者:苗一鸣

  在沉积时间分别为1 h、1.5 h、2 h 及2.5 h 的条件下,分别用磁控溅射法制备了ZnS 薄膜,用XRD、SEM、台阶仪、椭偏仪等实验仪器进行物性检测,最终发现,沉积时间越长的薄膜,晶粒越小,密度越大,折射率越大;消光系数受晶粒大小、晶界多少、孔隙率等多种因素影响,呈现复杂变化。

  硫化锌是一种具有较宽带隙的直接带隙半导体材料,在光、电方面的一些物理性质非常优越。材料目前已被大量应用于太阳能电池、光电材料、红外窗口材料、化工材料等诸多领域。随着薄膜技术的日益发展,硫化锌薄膜所具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等显示出了其广阔的应用前景。因此,如何选择恰当的制备方法以及在制备过程中通过掺杂改性来提高硫化锌薄膜的应用效能已成为硫化锌材料研究中的一个重要课题。在众多制备方法中,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为磁控溅射法能够更好的覆盖衬底,形成比较致密的薄膜。

  本文用磁控溅射法制备了ZnS薄膜,并对薄膜的物理性质及光学性质进行了细致的研究。为ZnS薄膜材料的进一步应用,提供了实验依据。

  1、实验

  实验使用射频磁控溅射设备制备ZnS 薄膜,以硫化锌块材为靶材,玻璃作为衬底。将真空抽至1.8×10-4 Pa。衬底加温至200 ℃。通入N2,气流速度为40.0。射频仪调节90 W,16.8 A,分别于1 h、1.5 h、2 h 和2.5 h 后,结束溅射过程。表面结构观测采用日立SU2080 型扫描电子显微镜、晶体结构分析采用北京普析通用XD-3 型XRD 衍射仪,设定起始角= 20°,终止角= 60°。步宽= 0.02°。波长=1.5406 nm,工作电压36 kV,工作电流20 mA。对光学系数的分析采用了HORIBAJOBIN YVON MM-16 型椭偏仪,70°入射角,光的能量范围1.461 eV~2.885 eV 进行拟合。

  2、结果及讨论

  2.1、扫面电子显微镜(SEM)结构观察

  用日立SU2080 场发射扫描电子显微镜观测,结果如图1 所示。通过电镜成像,可直观发现,本方法制备的ZnS 薄膜具有较完整和较均匀的结构。进一步的观察发现,薄膜沉积时间越长,薄膜表面颗粒越致密,颗粒边界越清晰。沉积时间越短则相反。沉积时间为2.5 h 的ZnS 薄膜颗粒边界最为模糊,晶粒也最小,随着沉积时间变长,薄膜晶粒逐渐变小。

沉积时间对磁控溅射法制备宽禁带半导体薄膜材料ZnS物性及光学性质的影响

图1 (a)-(d):1-2.5 h SEM 图像

  2.2、硫化锌薄膜结构分析

  硫化锌的晶体结构具有闪锌矿型(立方结构,β 相)和纤锌矿型(六角结构,α 相)两种。因此,在研究硫化锌薄膜结构的过程中,首先要确定制备的究竟是何种相的硫化锌。低温煅烧形成β 相为主的材料,高温煅烧形成α 相为主的材料,相变温度为1020 ℃,所含杂质不同其相变温度略有不同。本次实验采用靶材为β 相ZnS。硫化锌晶体中,所有的基元都是等同的,其中的硫和锌分别组成面心立方的布喇菲格子,而沿空间对角线位移1/4 长度套构而成,这样的结构统称为立方晶相(β 相)结构.整个晶体可看为是这种基元在空间三个不同方向各按一定距离,周期性地平移而构成。

  采用北京普析通用XD-3 型XRD 衍射仪对ZnS 薄膜样品进行光谱分析。测得结果为图2。

沉积时间对磁控溅射法制备宽禁带半导体薄膜材料ZnS物性及光学性质的影响

图2 XRD 立体图像

  从XRD 图形(图3)可以看出:不同衍射峰峰高不同,按沉积时间由长至短,衍射峰高度越来越低,验证了薄膜厚度与衍射峰信号的正相关性。由图1~2 可明显看出,衍射峰位于29°附近,与标准卡片的立方晶向ZnS 卡图比较,与代表β-ZnS 的(111)面的28.5°峰位非常吻合;由此可确认本次实验成功制备了β 相ZnS。

沉积时间对磁控溅射法制备宽禁带半导体薄膜材料ZnS物性及光学性质的影响

图3 椭偏仪拟合物理模型

  3、结论

  本文采用磁控溅射的方法,在确定的功率(90 W)和衬底温度(200 ℃)下,通过对沉积时间(1 h~2.5 h)的控制,制备出β 相ZnS 薄膜。对薄膜的物理性质研究发现沉积时间越长,晶粒越小。沉积时间越长,则晶粒越致密。对薄膜的光学性质研究发现:在薄膜晶粒大小相近的情况下,沉积时间越长,则折射率n 越大。消光系数受多种因素影响,与晶界多少、晶粒大小和气孔少密切相关,呈现复杂变化。

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