脉冲激光沉积制备MIM结构.ppt

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1、脉冲激光沉积制备MIM结构,信息工程学院电子信息工程05903325沈晓磊指导老师 季振国,氧化锌（ZnO）是一种重要的宽带隙（室温下3.3 eV）-族化合物半导体材料,它的激子束缚能高达60 meV,远大于GaN的25 meV和ZnSe的22 meV。ZnO具有六方纤锌矿结构，晶格常数a=0.3249 nm,c=0.5206 nm。ZnO薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且易于与多种半导体材料实现集成化。这些优异的性质，使其具有了广泛的用途，如表面声波器件、平面光波导，透明电极，紫外光探测器、压电器件、压敏器件、紫外发光器件、气敏传感器等。在短波区域，ZnO可用于制造

2、紫外发光器件和紫外激光器，对于提高光记录密度及光信息的存取速度起着非常重要的作用。,压敏电阻器是其电阻值随电压灵敏变化的电子元件，它是基于压敏材料的非线性伏安特性工作的，己被广泛地应用于过压保护和稳压方面。SiC作为压敏材料的历史比较悠久，1908年即出现了SiC避雷器的研究。自从1968年日本松下公司首次研制成功了以ZnO作为主体的压敏电阻器以来，ZnO压敏电阻器的研究和应用得到了长足的发展，ZnO迅速成为制造压敏电阻器的主导材料。,Contents,压敏电阻的基本概念,1,激光脉冲沉积法的基本原理 及ZnO薄膜的制备,2,试验结果以及数据分析,3,总结,4,1、压敏电阻的基本概念,压敏电阻

3、是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。,图1-1为ZnO晶体的原子点阵示意图，ZnO晶体具有纤锌矿结构（四配位，六角结构）、闪锌矿结构（也是四配位，但和纤锌矿相原子排列不同）、NaCl结构（也叫岩盐结构）和CsCl结构，这四种结构。,2.1 ZnO薄膜的晶体结构,2、激光脉冲沉积法的基本原理 及ZnO压敏电阻器的制备,非化学计量的ZnO晶体能带图,Sukker等人经过综合各方面的数据和理论分析，给出了与ZnO晶体的能带结

4、构有关的常温电子学参数。根据这些数据，可以得到，纯净的ZnO由于存在固有原子点缺陷，使得晶体结构的周期性被破坏，在禁带中引入局域能级的能带结构，如图所示,ZnO压敏电阻的晶界能带,双肖特基势垒,求解泊松方程后，得到双肖特基势垒高度:,式中，是ZnO半导瓷的介电常数，是势垒的高度，Nd为晶粒施主浓度，Ns为界面受主态密度，e为单位电子电荷。由上式可知，双肖特基势垒高度与表面受主态密度的平方成正比，与晶粒施主浓度成反比，在晶界处吸附受主杂质能提高n型半导瓷晶界得势垒高度。正是由于双肖特基势垒的形成，才使得ZnO压敏电阻器具有非线性的特性。,ZnO压敏材料的导电原理,隧穿电流表达式为:,式中，K为常

5、数，C为常数，U为外加电压，为真空介电常数。上式 表明，当电压较高，由于隧穿机制，流过晶界的电流随外加电压的增大而急剧增大。结合热电子发射机制和隧穿势垒机制就可以较好地解释ZnO压敏电阻器的非线性U-I特性。当外加电压升高达到一定值时，通过压敏电阻器的电流随外加电压的增加变化很大，一般可达几个数量级，表现出强烈的非线性。正是由于具有非线性特性，ZnO压敏电阻器在过压保护和稳压方面得到广泛的应用。在过压保护电路中，当有浪涌电流通过时，压敏电阻器处于非线性区，将浪涌电流吸收，起到保护设备的作用。,ZnO压敏材料常用的性能参数,非线性系数、压敏电压、漏电流表示了压敏电阻器的小电流特性，通流能力、残压

6、比则表示的是大电流特性。此外，表征压敏电阻器性能的参数还有电压温度系数、能量耐量，固有电容等，限于篇幅，在此只对常用的参数作以简单介绍。,1.非线性系数 2.压敏电压 3.漏电流 4.通流能力 5.残压比,ZnO压敏材料在各方面的应用及发展,ZnO压敏材料广泛应用于工业、铁路、通信、电力及家电等方面,尤其在过电压保护方面.用 ZnO压敏材料制成的 ZnO避雷器,可以用于雷电引起的过电压和电路工作状态突变造成电压过高.过电压保护主要用于大型电源设备、大型电机、电磁铁等强电应用中，也可用于一般电器设备的过电压保护。ZnO压敏材料的未来是十分美好的：(1)片式叠层化：近年来，随着电子产品的小型化、多

7、功能化和表面帖装技术(S MT)的应用。(2)低压化：由于电子仪器的集成化，电路的电压也随之低电压化。(3)基础理论的研究有待深入，尤其是加强晶界现象、导电机理、缺陷理论等方面的研究。将计算机技术与材料研究相结合，以探讨 ZnO压敏材料的显微结构与导电机理等将可能受到人们关注。,3、激光脉冲沉积法的基本原理及ZnO薄膜的制备,目前国内外薄膜制备方法基本有：磁控溅射，喷雾热解，化学气相沉积，分子束外延技术，原子层外延生长法，脉冲激光沉积，溶胶-凝胶这几种方法，各种制备工艺各有优缺点。不同的制备技术及工艺参数决定了薄膜的结晶取向，薄膜厚度，表面平整度以及光电、压电等性质的差异。,国内外薄膜制备方法

8、,国内外薄膜制备方法,磁控溅射法,喷雾热分解法,分子束外延法,原子层外延生长法,脉冲激光沉积法（PLD）,化学沉积法,PLD,脉冲激光沉积示意图,在衬底上沉积ZnO薄膜的实验过程,4、试验结果以及数据分析,PLD压敏特性图及（ZnO）,右图所示为不同温度下生长在Si衬底上的ZnO薄膜的X射线衍射图谱（XRD）由下图可知生长温度的不同对ZnO薄膜样品的影响都是很显著的。薄膜生长时氧气压强为1OPa，生长温度分别500，550，600，沉积时间均为2小时。为改善样品结晶质量，对样品进行了退火处理，退火温度均为650，并保温l小时。图示中所有样品的X射线衍射谱中衍射峰强度最大的均为ZnO的(101)

9、衍射峰，出现在2为36.3处，还在2为33。4处存在非常弱的衍射峰。表明我们生长的样品为(101)择优的多晶薄膜。,在衬底温度为500时，(101)衍射峰强度很弱，而且不太对称。因为衬底温度低，所以在到达衬底的原子和离子中，很少有能得到足够的能量进行再蒸发或者沿表面方向迁移。但原子沿c轴方向生长的优势已经相当明显。ZnO(101)衍射峰的强度在500一600之间随生长温度的升高而显著增强，其它晶面的生长被抑制。(101)晶面的择优生长，表明晶体质量越来越好。因为高的生长温度有利于使吸附在衬底表面的残余气体脱附，因而可提高膜层的附着力，使膜层结构致密，结晶也就自然越来越好。,衬底温度对ZnO薄膜

10、表面结构的影响,1.AFM分析 通过原子力显微镜(AMF)观测样品的形貌，AFM是在ParkAutoprobeCP型原子力显微镜上进行的，测试使用模式为S诩针的接触模式。,。图3-3分别为在不同衬底温度下沉积ZnO薄膜的AFM平面视图。衬底温度分别为500.550.600。退火温度为650，退火时间为1小时。由图3-3可知，在衬底温度为的500时，ZnO晶粒尺寸小而均匀，晶界较为模糊:衬底温度为550时的ZnO薄膜生长致密，已有一些晶粒开始长大。衬底温度为600时，ZnO薄膜表面呈鹅卵石密堆积结构，晶粒完全聚集长大，尺寸明显增加，约为50nm，呈现了很好的C轴取向性，界面清晰可辨。我们可以看到

11、晶粒的变化过程和表面形貌，与XRD显示的结果基本一致。,2.SEM分析,使用SEM分别对550，600衬底温度下制备的样品的表面形貌进行了测试，如上图所示。结果显示，衬底温度为600时晶粒比衬底温度为550的时的晶粒略大，且有较好的致密性。这主要是因为以下原因:随着沉积温度升高，有利于使吸附的原子在基片上发生迁移和重排，即越易引起薄膜内部凝聚，形成岛状小岛;同时，在一定的沉积工艺条件下，基片温度高，沉积原子在基片表面上的活动能力增大，结晶程度也高，晶粒变大。因此，随着基片温度升高，沉积速率和晶粒尺寸增大。但当基片温度达到一定值后，基片表面原子和吸附原子的热运动加剧，因而增大了它们的距离，使吸附

12、能有所减少，适应系数变小，故薄膜的沉积速率随温度升高而略有下降。而基片表面原子的活动能力随基片温度的升高继续增大，有利于减少晶界面积，晶粒长大。说明在较高的温度下，薄膜表面的扩散和迁移速率得到了提高，有利于降低薄膜表面的粗糙度，生成平整、致密的薄膜表面。这一现象与XRD的结果相一致。说明薄膜表面形貌的改善归根结底与较高的衬底温度有关。,5、总结,本文采用脉冲激光沉积的方法，制备了ZnO薄膜，该薄膜具有较好的平整性、致密性以及好的发光特性。通过采用XRD、SEM、AFM、荧光光谱仪等测量仪器对样品的结构、形貌等特性进行了测试。研究了ZnO薄膜的结晶状况、成分、等因素之间的关系。理论和实践中都证明了利用PLD薄膜技术可以制备发光性能较好的ZnO薄膜，但是由于PLD薄膜技术制膜过程非常复杂，各方面的因素都会影响薄膜压敏特性，找出影响膜表面质量的各种原因就需要通过大量实验确定沉积参数，选择优化的工艺参数，才一能制备出良好的薄膜。本实验仅从衬底温度、退火处理、性能等方面对其进行了分析。这只是一些初步工作，还有许多方面尚需进一步探索。,Thank You!,