ZnO外延膜中晶体取向特征检测方案(X射线衍射仪)

应用织构极图研究 ZnO 外延膜的晶体取向特征 顾滨兵，侯长民2，黄科科科，高忠民民，李向山” 1.吉林大学计算机学院，2.吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室长春130012 【摘 要】用 MOCVD 法在蓝宝石衬底上生长Zn0外延膜。用理学 D/max 2550 转靶衍射仪测量 Zn0外延膜织构。。观察到试样存在两种晶体取向关系：Zn0[11-20]//A120s[10-10]及 Zn0[10-10]//A1203[10-10]。计算得到晶格取向极点分布平均半高宽为12.26，且前一种取向晶体的数量是后者的13倍。探讨了两种取向的热力学稳定性。给出了外延膜取向特性的逐层分析结果。 【关键词】Zn0外延膜，晶体取向，织构极图，极点密度，极点密度分布半高宽 Zn0 是Ⅱ一Ⅵ族宽带隙半导体材料，室温禁带宽度为3.37eV， 激子束缚能为60meV，这使得 ZnO 薄膜成为可替代 GaN 薄膜的又一重要光电薄膜材料 1-21。Zn0 薄膜是柱状取向多晶体膜》。有的学者认为，这种薄膜能够实现无谐振腔激光发射与柱状晶取向状况有关，因此，关于它的结晶取向特征已有大量文章发表4-5.，但应用织构极图对它的取向情况进行深入表征的并不多见。本文在这方面开展了一些工作，现报道如下。 1. 实验部分 1.1应用有机金属化学气相沉积(MOCVD)法61，在蓝宝石(Al20s)衬底(0006)晶面上生长Zn0 薄膜。分别将 DEZn (锌源)和高纯氧气(氧源)导入反应室，为避免它们提前直接反应，锌源与氧源由不同导入口输入。衬底温度为620℃。得到的外延膜厚度为710nm。 1.2 极图制作 应用带有多目的样品台的理学 D/max 2550 转靶X线衍射仪测量 Zn0 的[10-13]织构极点密度分布。为了对比 Zn0 与兰宝石衬底的取向关系，同时测量了兰宝石[11-26]晶向的极点位置。用自编软件制作平面极射赤平投影、平面心射赤平投影及三维立体织构极图，极图的中心选取 ZnO 薄膜及衬底 Al203的[0001]结晶方向。 2. 结果与讨论 ( 顾滨兵，男，硕士研究生。联系人：高忠民，男，研究员， E-mail：gaozm@jlu.edu.cn ) 2.1 Zn0外延膜的织构极图 图1为Zn0 薄膜试样的[10-13]晶向的极射赤平投影图。图2为相同晶向的心射赤平投影图。其中极射赤平投影极图的应用较为广泛。图中●记号标出了兰宝石[11-26]的极点位置。为了直观的表征 Zn0 薄膜的[10-13]极点位置分布和极点密度的大小，制作了三维立体织构极图(图3)，图中在平面极图的垂直方向上表征的是极点密度数值。 图11ZnO薄膜[10-13]晶向的极射赤平投影 图2Zn0薄膜[10-13]晶向的心射赤平投影 2.2 Zn0 外延膜与衬底的晶体取向关系 尽管在三种织构极图上均给出了 ZnO 膜的[10-13]极点位置和Al20s的 [11-26]的极点位置，我们仍不易判明两者的取向关系。为此，我们将极图转换成模拟的 Zn0 [10-10]及A1203的[10-10]晶向极射赤平投影极图(见图4)。ZnO与兰宝石的[10-10]晶向均为6重对称，只应有6个极点位置。而 Zn0 出现12个极点分布说明 ZnO 晶柱相对于 Al20s晶体存在两种刚好相差30°的取向关系。即是： ZnO [11-20]//A1203[10-10](极点密度较大者)及Zn0 [10-10]//A120s[10-10](极点密度较小者)。这一结果与一些学者用其它方法所得结果相一致14-5 图3 Zn0 薄膜[10-13]晶向的三维立体织构极图 图4 Zn00[10-10]极点分布及 AlOs [10-10]极点位置(●)模拟极图 B/() 图5 极点密度随β角变化 2.3在图3中ZnO 的12个极点密度峰形最高点处沿β角方向(即相应的纬线上)做剖面图可得图5.将图中数据用自编软件计算出极点密度分布平均半高宽宽 B(即是通常所说的旋转角角A中)为12.26，说明柱状晶的取向偏差稍大。两种取向极点密度峰形的面积比为1 3：11，这一数据表明按 Zn0 [11-20]//Al20s[10-10]取向的晶体的数量是另一种取向晶体的13倍。 2.4 Zn0 外延膜在长厚过程中晶体取向的变化 图6 Zno薄膜 ω 逐层分析结果 从上面织构极图可以看到，Zn0 的外延膜与衬底之间存在着两种取向关系，而且晶向极点分布的弥散性也很大(见图5)。这表明与小失配度同质外延膜相比， Zn0大失配度异质外延膜的晶体取向关系是比较复杂的。非但如此，在Zn0 外延膜的逐层分析中还发现，接近衬底处与薄膜表面层之间，它们的晶体摇摆角Aw 也存 在很大的差异(见图6)，这表明 Zn0 外延膜的晶体取向特征与外延膜生长条件和生长过程存在着强烈的依赖关系。 2.5 Zn0晶体取向的热力学稳定性 从人1、图2及图3可以看出，衬底温度为620℃生长的薄膜 Zn0 [11-20]//A120s[10-10] 取向处于很大的优势，但仍存在较强的 ZnO[10-10]//Al203[10-10]晶体取向。当样品在800℃空气中退火后，则Zn0 [10-10]//A1203[10-10]取向完全转化为另外一种取向(见图7)，这说明Zn0J[10-10]//A120s[10-10]取向的热力学稳定性较差，这种现象的产生可能与晶格失配度有关系当薄膜按照 Zn0 [10-10]//A120s[10-10]取向生长时，薄膜与衬底的晶格失配度为32%，而依照 ZnO[11-20]//Al203[10-10]生长时，则失配度只有18%，从热力学角度上看这种晶体取向应当更为稳 3.结论 对Zn0 外延膜制作了[10-13]晶向极射赤平投影、心射赤平投影及三维立体极图。从中确认ZnO外延膜相对于衬底存在两种晶体取向： ZnO)[11-20]//A120s[10-10]， ZnO[10-10]//Al203[10-10]。[10-13]极点密度分布的平均半高宽为12.26，依前者取向晶体 的数量是后者的13倍。薄膜逐层分析结果表明，Zn0 薄膜在生长过程中摇摆角△w存在增大的趋势。还观察到 Zn0 [11-20]//Al20s[10-10]取向比另一种取向有更好的热力学稳定性。 ( 【参考文献】 ) ( [1]刘益春，张喜田，张吉英等.氧化锌可见光发光机制.发光学报，2002，23(6)：563~569 ) ( [2]梁红伟，颜建峰，吕有明等.用等离子体辅助分子束外延生长氧化锌单晶薄膜.光学学 报，2004，25(2)：147~1 5 0 ) ( [3]侯长民，黄科科，高忠民等，从晶体取向特点探讨ZnO 薄膜的晶体不完整性，高等学校化 学学报[J]，2006，27(5)：805~807 ) ( [4] Ohkvbo I，Ohtomo A， Ohnishi T ，et al.I n -plane and polar orientations of Zn0 thin films g rown on a tomically f l ax sapphire. Surface Science，1999， 44 3： 10 4 3~1048 ) ( [5] Chichibu S F， Yoshida T， Onuma T. Helicom-wave - exci t ed- p lasma sputtering epitaxy of Zn0 on Sapphire(0001)substrates. JAP 2002，91(2)：874~877 ) ( [6]王新强，杨如森，杨树人等，等离子体增强 MOCVD 法生长 Zn0 薄膜，高等学校化学学报 [J]2002，23(5)，927-931 ) ( [7]冯守华，高忠民，侯长民等.氧化物半导体外延膜高通量X射线分析方法.国家专利(申请 号200410010792，7) )