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研究生: 連偉迪
Lien, Wei-Di
論文名稱: 二次退火對氧化鋅螢光光譜影響之研究
A Photoluminescence Study Of Two-step Annealed ZnO
指導教授: 田興龍
Tyan, Shing-Long
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 39
中文關鍵詞: 光譜退火氧化鋅
外文關鍵詞: VoZni, ZnO, annealed, OZn
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  • 本次實驗是以射頻濺鍍(Radio Frequency Sputtering)的方式在壓
    力為1×10-2 torr 下成長氧化鋅薄膜,並以低溫螢光光譜分析不同退火
    條件對氧化鋅薄膜之影響。在Tae-Bong Hur 等人的研究顯示(J. Appl.
    Phys., Vol.94, 5787 (2003)),在空氣環境下,二次退火比一次退火更能
    改善氧化鋅薄膜其由所缺陷造成的可見光螢光光譜,且UV 波段之光
    譜也會比一次退火之氧化鋅薄膜來的好。因此,本次實驗的目的為研
    究使用不同氣體退火,其二次退火與一次退火之氧化鋅光譜之比較。
    我們發現,在空氣環境與氧氣環境(300 mtorr)下成長的氧化鋅薄膜,
    其一次退火與二次退火之結果與Tae-Bong Hur 等人的研究相符,而
    在氮氣環境(300 mtorr)下的結果卻是相反,一次退火的結果比二次退
    火來的好。除此之外,我們也增加退火的時間(5~10 hr)以及改變二次
    退火之中間溫度(500~ 800℃)對成長氧化鋅之影響,我們發現,當
    退火氣體為空氣或氧氣時,其氧化鋅薄膜在中間溫度為600℃時品質
    最好,但在氮氣下中間溫度的變化對氧化鋅薄膜品質並無影響。

    The zinc oxide thin films were grown on p-type Si:B (100) substrates by
    radio-frequency sputtering technique. The specimens were then annealed by one- and
    two-step methods in air, oxygen and nitrogen gas. The annealing effect is investigated
    by low temperature photoluminescence (PL) spectra. From the analysis of PL spectra,
    we found that the samples annealed by two-step method in air and oxygen gas show
    better structural crystallinity than that annealed by one-step method, which is the
    same as reported by T.B. Hur et. al. [J. Appl. Phys., Vol.94, 5787 (2003)]. On the
    contrary, the one-step annealing method is better than two-step method as annealed in
    the nitrogen environment. In addition, the effects of different annealing time and the
    middle annealing temperature are also studied. The best quality of ZnO thin film is
    that annealed at the middle annealing temperature 600C in air and oxygen gas.
    However, the middle temperature is of little influence on the quality as the sample
    annealed in the nitrogen environment.

    目錄 摘要……………………………………………………………….Ⅰ Abstract……………………………………………………….…………II 致謝………………………………………….……………….…..III 目錄……………………………………………………………….IV 圖目錄……………………………………………………….….VI 表目錄……………………………………………………….….IX 第一章 前言……………………………………………………..1 第二章 原理……………………………………………………..3 2-1濺鍍基本原理……………………………………………………3 2-1-1直流濺鍍………………………………………………………..….3 2-1-2射頻濺鍍……………………………………………………..…….4 2-1-3磁控濺鍍………………………………………………..………….5 2-2光激發螢光光譜………………………….………………...……7 2-3退火系統……………………………….……………….……....9 第三章 實驗流程…………………………………..…..………..10 3-1射頻濺鍍系統…………………………………………….……10 3-2退火系統與過程………………………………………….……12 3-3光激發螢光系統架設、儀器介紹……………………...………14 第四章 實驗結果與討論……………………………………..16 4-1 不同退火時間與退火氣體成長氧化鋅薄膜.………….…….…16 4-2 一次退火與二次退火成長氧化鋅薄膜……….......................24 4-3 不同二次退火中間溫度成長氧化鋅薄膜…………………...…30 第五章 結論...................................................................36 參考文獻………………………………………………………….37 圖目錄 圖 2.1.1 直流濺鍍簡易裝置原理圖........................................................6 圖 2.1.2 (a) 射頻輸入訊號 (b) 射頻與靶材表面電位隨時間變化圖..6 圖 2.2.1 半導體中能帶躍遷圖................................................................8 圖 3.3.1 射頻濺鍍系統裝置圖..............................................................11 圖 3.2.1 高溫退火系統裝置圖…..........................................................13 圖 3.2.2 氧化鋅一次退火加熱曲線圖............................. ....................13 圖 3.2.3 氧化鋅二次退火加熱曲線圖…............……………………..14 圖 3.3.1 低溫光激發螢光系統儀器架設圖……………………..……15 圖 4.1.1 以高斯(Gaussian)擬合(fit)之氧化鋅在空氣下一次退火PL低溫光譜圖……………………………………………..………17 圖 4.1.2 在空氣環境下以one step method 退火5小時與10小時之氧化鋅UV波段低溫PL光譜………………………………………17 圖 4.1.3 在空氣環境下以one step method 退火5小時與10小時之氧化鋅可見光波段低溫PL光譜………………………………….18 圖 4.1.4 在氧氣環境下(300 mtorr)以one step method 退火5小時與10小時之氧化鋅UV波段低溫PL光譜………………………20 圖 4.1.5 在氧氣環境下(300 mtorr)以one step method 退火5小時與10小時之氧化鋅可見光波段低溫PL光譜…………………….21 圖 4.1.6 在氮氣環境下(300 mtorr)以one step method 退火5小時 與10小時之氧化鋅UV波段低溫PL光譜………………….23 圖 4.1.7 在氮氣環境下(300 mtorr)以one step method 退火5小時與10小時之氧化鋅可見光波段低溫PL光譜…………………….23 圖 4.2.1 在空氣環境下以one step及two step methods退火之氧化鋅UV波段低溫PL光譜…………………………………………24 圖 4.2.2 在空氣環境下以one step及two step methods退火之氧化鋅可見光波段低溫PL光譜……………………………………….25 圖 4.2.3 在氧氣環境下(300 mtorr)以one step及two step methods退火之氧化鋅可見光波段低溫PL光譜……………………….27 圖 4.2.4 在氧氣環境下以one step及two step methods退火之氧化鋅可見光波段低溫PL光譜……………………………………….27 圖 4.2.5 在氮氣環境下以one step及two step methods退火之氧化鋅可見光波段低溫PL光譜……………………………………….29 圖 4.2.6 在氮氣環境下以one step及two step methods退火之氧化鋅可見光波段低溫PL光譜……………………………………….29 圖 4.3.1 在空氣環境下以two step method不同中間溫度退火之氧化鋅UV低溫PL光譜………………………………………………30 圖 4.3.2 在空氣環境下以two step method不同中間溫度退火之氧化鋅可見光低溫PL光譜………………………………………….30 圖 4.3.3 在氧氣環境下(300 mtorr)以two step method不同中間溫度退火之氧化鋅UV低溫PL光譜………………………………32 圖 4.3.4 在氧氣環境下以two step method不同中間溫度退火之氧化鋅UV可見光PL光譜……………………………………………33 圖 4.3.5 在氮氣環境下(300 mtorr)以two step method不同中間溫度退火之氧化鋅UV低溫PL光譜………………………………34 圖 4.3.6 在氮氣環境下(300 mtorr)以two step method不同中間溫度退火之氧化鋅UV可見光PL光譜………………………………35 表目錄 表4.1.1 在空氣環境下以one step method 退火5小時與10小時之氧化鋅UV波段6個peak之FWHM比較……………………..18 表4.1.2 在氧氣環境下以one step method 退火5小時與10小時之氧化鋅UV波段個peak之FWHM比較……………………….21 表4.2.1 在空氣環境下以以one step及two step methods退火之氧化鋅UV波段6個peak之FWHM比較………………………..25 表4.2.2 在氧氣環境下(300 mtorr)以one step及two step methods退火之氧化鋅UV波段6個peak之FWHM比較……………..26 表 4.3.1 在空氣下以不同中間溫度二次退火之氧化鋅低溫PL光譜其P6/P(VoZni)之比值及P1面積比較………………………….31 表 4.3.2 在空氣下以不同中間溫度二次退火之氧化鋅低溫PL光譜其P6/P(VoZni)之比值及P1面積比較………………………….33

    [1] S.Cho, J.Ma, Y.Kim, Y.Sun, G.K.L.Wong, and J.B.Ketterson, “Photoluminescence and ultraviolet lasing of polycrystalline ZnO thin films prepared by the oxidation of the metallic Zn”, Appl.Phys.Lett.Vol.75, No.18, 2761(1999)
    [2] K.K.Kim, J.H.Song, H.J Jung, S.J.Park, J.H.Song, J.Y.Lee, “Photoluminescence and heteroepitaxy of ZnO on sapphire substrate(0001) grown by rf magnetron sputtering”, J.Vac.Sci. A18(6), 2864 (2000)
    [3]  Y.Zhang, G.Du, D.Liu, X.Wang, Y.Ma, J.Wang, J.Yin, X.Yang, X.Hou, S.Yang, “Crystal growth of undoped ZnO films on Si substrates under different sputtering conditions ”, J.Cryst.Grownth Vol.243, 439 (2002)
    [4]  Maria Losurdo and Maria M. Giangregorio “Interaction of atomic hydrogen with Zn-polar and O-polar ZnO surfaces”, Appl. Phys. Lett.Vol 86, 091901 (2005)
    [5]  J. Huand R.G Gordon, Sol.Cells Vol.30, 437 (1991)
    [6] Xiang Liu, Xiaohua Wu, Hui Cao, and R. P. H. Chang“Growth mechanism and properties of ZnO nanorods synthesized by plasma-enhanced xhemical vapor deposition”Journal of Applied Physics 95 3141(2004)
    [7] H. Nanto, T. Minami, and S. Takata, Phys. “Photoluminescence in sputtered ZnO thin films”Status Solidi A 65, K131 (1981).
    [8] Y. Chen, D. M. Bagnall, H. J. Koh, K. T. Park, K. Hiraga, Z. Zhu, and T. Yao “Plasma assisted molecular beam epitaxy of ZnO on c -plane sapphire: Growth and characterization” J. Appl. Phys.Vol. 84, 3912 (1998).
    [9] J. Hu and R.G. Gordon “Textured aluminum-doped zinc oxide thin films from atmospheric pressure chemical-vapor deposition”J. Appl. Phys. 71 2 (1992), p. 880
    [10] S. Bethke, H. Pan, and B. W. Wesseis“Luminescence of heteroepitaxial zinc oxide” Appl. Phys. Lett. Vol.52, 138 (1988).
    [11] D.R.Vij, “Luminescence of Solids”Plenum Press, New York and London, ch3, p95
    [13] Tae-Bong; Jeen, Gwang Soo; Hwang, Yoon-Hwae; Kim, Hyung-Kook“Photoluminescence of polycrystalline ZnO under different annealing conditions” Journal of Applied Physics, Volume 94, Issue 9, pp. 5787-5790 (2003)
    [14] 李正中,”薄膜光學與鍍膜技術”,藝軒,pp.277-279,1999.
    [15] Brian Chapman, ”Glow discharge processes sputtering and plasma
    etching”, N. Y. ,1980.
    [16] M.Konuma,”Films deposition by plasma techniques”,published by
    Springer-Verlag,1992.
    [17] W.R. Harshbarger, R. A. Porter, T. A. Miller, and p. Norton,”A study of the optical emission from an RF plasma during semiconductor etching”, Applied Spectroscopy 31,pp.201-207,1977.
    [18] 王立衡、黃運添、鄭海濤,”薄膜技術”,清華,pp.16-18,1991.
    [19] Donald L. Smith, ”Thin-film deposition principles & practice”,
    McGraw-Hill Inc,1995.
    [20] Ben G. Streetman, Sanjay Banerjee, “Solid state electronic devices 5ed”2002
    [21] Jinzhong Wang, “Effect of annealing on the properties of N-doped ZnO films deposited by RF magnetron sputtering”, Applied Surface Science 254 (2008) 7178–7182
    [22] Zhang, D.,“Effects of annealing ZnO films prepared by ion-beam-assisted reactive deposition”, Thin Solid Films, vol. 238, issue 1, pp. 95-100
    [23] D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, and H. Morkoc﹐, Solid State Commun. 101, 643 ~1997!.
    [24] 12 R. D. Vispute, V. Talyansky, S. Choopun, R. P. Sharma, and T. Venkatesan, Appl. Phys. Lett. 73, 348 ~1998!.
    [25] Tae-Bong Hur, Gwang Soo Jeen, Yoon-Hwae Hwang, and Hyung-Kook Kim, Journal of Applied Physics Volume 94, Number 9(2003).
    [26] Hadis Morkoc and Umit Ozgur, Zinc Oxide”, Wiley-VCH, P177.
    [27] Bixia Lin, Zhuxi Fu, Yunbo Jia, and Guihong Liao, Journal of The Electrochemical Society, 148 (3) G110-G113 (2001).
    [28] Fan Hai-Bo, “Investigation of Oxygen Vacancy and Interstitial Oxygen Defects in ZnO Films by Photoluminescence and X-Ray Photoelectron Spectroscopy”Chin. Phys. Lett Vol. 24
    [29] K. Prabakar, Choongmo Kim, and Chongmu Lee“UV, violet and blue-green luminescence from RF sputter
    deposited ZnO:Al thin films” Cryst. Res. Technol. 40, No. 12, 1150 – 1154 (2005)
    [30] N. G. KAKAZEY, L. A. KLO&KOV, I. I. TIMOFEEVA, T. V.Sreckovic, B. A. MARINKOVI& , M. M. RISTI& “Evolution of the Defect Structure of Zinc-Oxide as a Consequence of Tribophysical Activation”, Cryst. Res. Technol. 34 1999 7 859–866

    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2009-07-17公開
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