P型ZnO薄膜的优化制备及其应用

论文摘要

ZnO是一种新型的II-VI族直接宽带隙化合物半导体材料。室温条件下,其禁带宽度为3.37eV（对应紫外光的波长）,激子束缚能为60meV（有利于实现高效率的激光发射）。这些特性使其在紫外探测器、LED和LD等光电子器件领域具有巨大的应用潜力。但是由于ZnO本征呈n型导电特性,其p型材料制备非常困难,很难获得性能较好的pn结。这一直阻碍了ZnO在光电子领域的应用。研究人员针对这一难题,采用了诸多方法实现了ZnO材料p型导电。同时,分别尝试了制备ZnO基pn结。但是,p型ZnO薄膜或者不能获得pn结、或者形成的pn结不能实现电发光、或者电致发光非常微弱,这主要是由于p型ZnO薄膜的材料特性太差。因此,制备具有器件级的p型ZnO薄膜仍然是ZnO应用于光电子领域的关键。本论文利用超声喷雾热分解技术,采用N-Al共掺的方法,成功制备出具有p型导电特性的ZnO薄膜。对p型ZnO薄膜进行了优化制备,并将其应用于太阳能电池及ZnO基pn结。主要内容如下:1.通过对生长温度、掺杂比例和生长时间等参数的优化,在普通玻璃衬底上成功制备出具p型ZnO薄膜。其电学特性:电阻率29.6Ωcm、迁移率1.29cm2V-1s-1、空穴浓度1.64×1017cm-3。2.通过在普通玻璃衬底和ZnO薄膜之间引入同质本征缓冲层的方法,来减弱玻璃衬底对于ZnO薄膜的不良影响,从而提高了ZnO薄膜的质量,成功地制备出迁移率高达12.3 cm2V-1s-1的p型ZnO薄膜。3.采用新型的I-V族双受主N-K共掺的方法制备出迁移率高达14.8 cm2V-1s-1的p型ZnO薄膜。但是由于结果不稳定,还有待于进一步的研究。4.在Corning 7059衬底上,尝试了把p型ZnO薄膜作为透明导电膜应用于微晶硅太阳能电池中,其开路电压为0.47V。5.通过在Si衬底上直接生长ZnO薄膜的方法,成功制备出n-Si/p-ZnO和p-Si/n-ZnO异质结。6.在多种Si衬底上,通过先生长p型ZnO再生长n型ZnO和先生长n型ZnO再生长p型ZnO的方法,分别制备出ZnO基同质结。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1-1 引言
• §1-2 ZnO 的晶体结构及p 型 ZnO 制备的困难
• §1-3 ZnO 的p 型导电特性的实现方法
• 1-3-1 I 族元素掺杂法
• 1-3-2 V 族元素掺杂法
• 1-3-3 施主-受主共掺法
• 1-3-4 其他掺杂方法
• 1-3-5 提供富氧条件方法
• §1-4 ZnO 薄膜的制备方法
• §1-5 ZnO 基pn 结发展现状
• 1-5-1 ZnO 基pn 异质结介绍
• 1-5-2 ZnO 基pn 同质结介绍
• §1-6 论文的主要内容
• 第二章 ZnO 薄膜的制备及其性能表征
• §2-1 超声喷雾热分解技术（USP）的基本原理
• 2-1-1 USP 生长薄膜的主要过程
• 2-1-2 USP 的四种沉积模式
• §2-2 USP 制备ZnO 薄膜
• 2-2-1 实验设备
• 2-2-2 前驱液的制备与载气的选择
• 2-2-3 衬底的处理
• 2-2-4 溶质的热解过程
• §2-3 ZnO 薄膜性能的表征
• 2-3-1 Hall 测试
• 2-3-2 XRD 测试
• 2-3-3 SIMS 测试
• 2-3-4 SEM 测试
• 第三章 p 型 ZnO 薄膜的获得及其优化制备
• §3-1 p 型ZnO 薄膜的获得及其特性
• 3-1-1 衬底温度对ZnO 薄膜导电特性的影响
• 3-1-2 Al 掺杂比对ZnO 薄膜特性的影响
• 3-1-3 N-Al 共掺p 型ZnO 薄膜的掺杂情况
• 3-1-4 N-Al 共掺p 型ZnO 薄膜的发光特性
• 3-1-5 p 型ZnO 薄膜的获取小结
• §3-2 不同生长时间N-Al共掺p型ZnO薄膜特性的研究
• 3-2-1 ZnO 薄膜厚度随生长时间的变化
• 3-2-2 不同生长时间 ZnO 薄膜的电学特性
• 3-2-3 XRD 分析
• 3-2-4 SEM 分析
• 3-2-5 不同生长时间实验小结
• §3-3 同质缓冲层对N-Al共掺p型ZnO薄膜的影响
• 3-3-1 本征未掺杂 ZnO 层的特点
• 3-3-2 同质缓冲层对不同Al 掺杂比N-Al 共掺ZnO 薄膜的影响
• 3-3-3 同质缓冲层实验小结
• §3-4 N-K 共掺ZnO 薄膜的制备
• 3-4-1 N-K 共掺ZnO 薄膜的电学特性
• 3-4-2 N-K 共掺ZnO 薄膜的结构特性
• 3-4-3 N-K 共掺实验小结
• 第四章 p型 ZnO薄膜在器件中的应用
• §4-1 ZnO 基p 型透明导电膜的尝试及其在太阳能电池中的初步应用
• 4-1-1 透明导电膜的电学特性
• 4-1-2 透明导电膜的结构特性
• 4-1-3 透明导电膜的光学特性
• 4-1-4 p 型透明导电膜在太阳能电池中的初步应用
• 4-1-5 ZnO 基p 型透明导电膜小结
• §4-2 ZnO 基pn 异质结的制备
• 4-2-1 p-Si/n-ZnO 异质结
• 4-2-2 n-Si/p-ZnO 异质结
• 4-2-3 ZnO 基pn 异质结小结
• §4-3 ZnO 基同质结的制备
• 4-3-1 ZnO 基同质结的制备方法
• 4-3-2 各种类型Si 衬底上np 和pn 同质结的尝试
• 4-3-3 Si 衬底上ZnO 基同质结小结
• 第五章 结论
• §5-1 主要结论
• §5-2 有待于进一步开展的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果