物理法制備ZnO薄膜的方法
濺射法(Sputtering)
濺射是帶電粒子轟擊靶材,使靶材粒子(團)被擊濺出來并淀積到襯底上成膜。如果靶材是Zn,沉積過程中Zn與氣氛中的O2發生反應生成ZnO,屬于反應濺射。若靶材是ZnO,沉積過程中無化學變化則為普通濺射法。濺射法要求較高的真空度,合適的濺射功率及襯底溫度。磁控濺射ZnO 薄膜,具有速率高、可有效抑制固相擴散、薄膜與襯底之間的界面陡峭等優點。決定ZnO薄膜微結構的主要因素是襯底溫度和濺射粒子的能量分布。保護氣一般用超高純氬氣,反應氣為氧氣。在反應濺射中,可能會有部分Zn與O2沒有反應完全,薄膜的特性不夠理想,不如用ZnO靶制備的薄膜質量好。
脈沖激光沉積法(PLD)
PLD是在超高真空(本底氣壓10-8Pa)系統中,準分子激光器所產生的高功率脈沖激光束聚焦照射靶面,使靶材瞬時升華、解離,產生高壓高溫等離子體(T≥104K),這種等離子體局域定向膨脹發射并冷卻沉積在襯底上成膜。PLD常用的激光器有波長248nm的KrF和波長193 nm的ArF準分子激光器。襯底溫度和反應氣氛是決定ZnO薄膜結晶好壞的重要因素。PLD系統示意圖示于圖1。PLD法制備的ZnO薄膜的結構、光電性質與襯底溫度、背景氣壓、激光能量密度、脈沖寬度和重復頻率等因素有關。PLD生長參數獨立可調,化學計量比可精確控制,薄膜平整度好,易于實現多層薄膜的生長,而且減少了不必要的玷污。
圖1 PLD系統示意圖
分子束外延法(MBE)
MBE是一種原子級可控的薄膜生長方法MBE生長ZnO需要超高真空條件,本底壓強大約為10-7Pa或以上,襯底一般為藍寶石。在電子回旋共振分子束外延(ECR-MBE)生長中,采用100mW的微波功率,氧氣分壓為2×10-2Pa,襯底的溫度為275℃時,可得到具有高度c軸取向的透明ZnO薄膜,薄膜與襯底之間存在外延關系。生長ZnO單晶薄膜，MBE法是最好的,其工藝可靠性高。但是,MBE法的生長速率很慢,設備昂貴,操作復雜,使許多器件的應用難以滿足。
原子層外延生長法(ALE)
ALE 是將參與反應的蒸汽源(Zn源與氧化物氣體)依次導入生長室,使其交替在襯底表面吸附并發生反應,淀積成膜。兩個反應源在被引入生長室后發生的反應均發生在氣態反應源和表面官能團之間,每個反應發生后產生一個新的官能團,揮發性分子則解吸被抽走。當表面完全變成新的基團后,這個反應就自動停止。這兩步反應完成后就生長出一層薄膜,一個循環結束。重復循環直到形成一定厚度的ZnO薄膜。
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