生长温度和源氛浓度对ZnO晶体生长影响的机理分析

Influence Mechanism ofGrowth Temperature andSource Atomosphere Concentration on the ZnO Crystal GrowthWANG Xujie，FANG Fang，wrEI Zhipeng，FANG Xuan，LI Jinhua，CHu Xueying，ZHoU Zheng(School of Physics，Changchun University of Science and Technology，Changehun 130022)Abstract：A ZnO seed layer with thickness of 200 rim was deposited on Si substrate using ALD，and a ZnO crystalgrew on the seed layer by normal pressure CVD.The structure and morphology of the ZnO crystal were studied byX--ray diffraction and field emission scanning electron microscopy.Its optical properties were studied by photolumines-cence spectrum.The influence factors in ZnO growth were discussed by considering crystal growth mechanism.Resultsindicated that source atmosphere concentration plays an important role in the forming of the ZnO morphology。

Key WOrds：CVD；Zn0 micro-nan o structure；concentration of the sourceZnO是-种II-VI族新型直接带隙半导体材料 ，它具有六方纤锌矿结构 ，3.37eV的宽带隙和高达60meV激子束缚能，高于室温离化能(26meV)，其电子迁移率约为200cm2/Vsn]。由于Zno本身具有良好的光电性质，使其在发光器件领域有着良好的应用 背景 ↑年 来 Zno微 纳材料 已经通过MoCVD 、电化学。。、溶胶-凝胶Ⅲ、水热 、PVD、CVD 等-系列方法被制备出来。CVD方法是-种较成熟的制备ZnO材料的方法，其原理是利用两种或以上材料在高温管式炉中反应生成气态源并运输到衬底上进行沉积。

杨培东等人通过使用CVD方法"]，以V-I -S(气～液-固)机制合成多种形貌的ZnO微纳结构材料，且相关材料应用到激光器、场效晶体管、传感器 、谐振器、太阳能电池等领域 。

本文通过以Si等作为衬底，预先通过ALD方式生长200nm后的ZnO薄层作为籽晶层，使用 CVD方法进行ZnO低维结构的生长。通过改变不同距源位置条件获得不同形貌的ZnO低维结构。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FES-收稿日期：2012-09-12基金项目：国家自然科学基金 (61006065，61076039，10804071)；高等学佼博士学科点专项科研基金 (20102216110001，2On22l6l2)O5)；吉林省 自然科学基金 (20101546)，吉林势技发展计划 (20091039，20090555，20121816，201201116)；吉林侍育厅项 目(2011JYT05，2011JYT1O 2011JYTl1)作者简介：王许杰 (1988-)，男，硕士研究生，E-mail；wxj19882008###sina.com。

长春理工大学学报 (自然科学版)2.2 样品生长机理讨口 圈 ·圆 ·圃 图5 ZnO材料生长机理附视和剖面图由于没有引人金属催化剂，利用ALD法沉积ZnO籽晶层的Si片上生长ZnO纳米结构区别于通常的气-液-固(V-L-S)生长机制 ，应归于气-固(V-S)白催化生长机制n 。在高温管式炉中，刚玉舟中的ZnO与C反应生成Zn蒸汽、Co(Co。)和-些低氧值ZnO (0

2.3 样品光学性质讨论根据Bagnal等人的理论n ，在室温ZnO的PL谱中存在两个位置的发光，-是位于紫外(UV)发光区的，与带边位置和能带结构相关的位于380nm左右的近代边(NBE)发光；另-个是位于505nm左右处可见区的，与氧空位、表面态等缺陷相关的深能级(deep-leve1)发光。

々 穹鼍毫嚣 3置图6 样品的光致发光(PL)谱，(a)、(b)、(c)分别代表样品A、B、C，d)为(c)的局部范围放大图三个 样 品(见图 6(a)-(c))采用 325nm 的He-Cd激光光源，在PL图中均出现了505nm绿光峰，只有样品C对应的图6(c)中在380nm处出现了微弱的紫外发光峰。根据 Vanheusden等人的理论n，低维ZnO材料存在离子化的氧空位和表面态缺陷，而造成辐射复合产生了绿光发射，所以把在505nm出现绿光峰归结为氧空位造成的深能级(deep-leve1)发射发光。ZnO薄膜体材料的光致激发强度会由于热淬火效应随温度升高而迅速下降，所以在室温下很难获得近带边(NBE)紫外光发射n ，因此样品A、B中，没有观测到来 自NBE的紫外发光。根据BagnaU等人证明低维半导体材料在改善晶体质量后能获得高的NBE/deep-level发射比 ，因此在样品C中，当出现了ZnO-维微米棒结构后，样品C在380nm处出现了微弱的紫外峰。

3 结论本文通过CVD方式，通过改变样品与反应源的距离，得到了不同形貌的ZnO低维结构。

距反应源不用距离使样品处的反应温度和源的第3-4期 王许杰，等：生长温度和源氛浓度对ZnO晶体生长影响的机理分析 127相对浓度不同，通过不同的反应温度衬底对源吸附解吸附和反应源饱和浓度两个重要生长条件 ，对所获得的ZnO低维结构的生长机理进行了解释，为精确控制合成低维ZnO结构提供了理论依据。此外，由于不同的缺陷状态和形貌，对比ZnO低维膜和微米棒有着不同的发光谱。本项工作为进-步研制规模化可控低维ZnO基场效晶体管、太阳能电池、紫外传感器等光电器件打下基矗