Mn-N共掺p型ZnO薄膜的制备及特性研究

论文摘要

ZnO的室温禁带宽度是3.37eV,激子束缚能高达60meV,作为一种重要的光电信息功能材料,其p型掺杂问题是目前国际上最为关注的前沿领域。与此同时,由于ZnO通过适当地掺杂过渡金属离子有望实现室温铁磁性,有关ZnO基稀磁半导体（DMS）的研究也逐渐成为热点。本文针对目前ZnO研究中的热点问题,采用射频磁控溅射法制备较高结晶质量的ZnO:Mn薄膜,并结合N离子注入完成ZnO薄膜的Mn-N两步法共掺杂。通过在N2气氛中适当条件的快速退火,使注入的N离子达到电激活成为有效受主,进而实现p型转变。借助X射线衍射仪（XRD）、场发射扫描电镜（F-SEM）、霍尔测试仪、X光电子能谱（XPS）、双光束紫外-可见分光光度计、样品振动磁强计对ZnO:Mn-N薄膜进行了结构、表面形貌、电学、元素组分及化学状态、光学、磁学等方面的测试。结果表明采用二步法共掺杂技术制备的ZnO:Mn-N薄膜具有良好的晶体质量,晶粒呈柱状结构,沿垂直于衬底的（002）方向生长。经退火后,没有观察到其它杂质相的生成。薄膜在650℃经10～30min退火时均可实现p型转变,空穴浓度可达1016-1018cm-3,表明650℃可能为ZnO:Mn-N体系中N离子达到电激活成为有效受主的温度。XPS能谱证明了Mn2+、N3-离子的掺入。在热退火作用下,部分间隙位N离子通过扩散进入O空位,形成N-Zn或N-Mn键,是样品转变为p型的依据。XPS深度剖析还发现在热退火作用下,N和Mn在薄膜体内分布比较稳定,且随刻蚀深度的增加变化不大,表明在薄膜中N离子由退火前的高斯分布趋向于均匀分布。XPS的量化分析结果表明Mn和N在薄膜体内的摩尔百分比浓度分别为～4 at.%和～1 at.%。未退火的n型与650℃退火10min的p型ZnO:Mn-N薄膜均具有室温铁磁性,矫顽力分别为40Oe与65Oe, p型样品比n型的饱和磁化强度明显增大,使用束缚磁极化子模型（BMP）对样品的磁性来源作了解释。此外,在成功实现ZnO:Mn-N薄膜p型转变的基础上,本文还在650℃20min对不同样品进行了重复性退火,样品的空穴浓度均达到～1017cm-3;在对样品进行长期的跟踪测试中,发现p型ZnO:Mn-N薄膜的电学性能在历经六个月后虽然存有不同程度的弱化,但整体表现良好,薄膜导电类型依然为p型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 研究背景和意义
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO 的基本性质
• 1.3 ZnO 的缺陷
• 1.3.1 ZnO 的点缺陷
• 1.3.2 ZnO 的线缺陷和堆垛层错
• 1.4 ZnO 的电学性质及其掺杂
• 1.4.1 ZnO 的n 型掺杂
• 1.4.2 ZnO 的p 型掺杂
• 1.5 ZnO 基稀磁半导体的研究
• 1.5.1 ZnO 基稀磁半导体的理论进展
• 1.5.2 ZnO 基稀磁半导体的实验进展
• 1.6 本文的立题依据、研究内容及创新点
• 1.6.1 立题依据
• 1.6.2 研究内容
• 1.6.3 本文的特色和创新点
• 2 ZnO 薄膜的制备及性能评价
• 2.1 射频磁控溅射的基本原理
• 2.1.1 辉光放电原理
• 2.1.2 磁控溅射原理
• 2.2 ZnO 薄膜的制备流程
• 2.2.1 靶材及衬底的清洗
• 2.2.2 射频磁控溅射镀膜
• 2.2.3 ZnO 薄膜的制备参数
• 2.3 薄膜的性能评价
• 2.3.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.3.2 霍尔（Hall）测试
• 2.3.3 双光束紫外-可见分光光度计
• 2.3.4 X 射线光电子能谱仪
• 2.3.5 场发射扫描电子显微镜
• 2.3.6 振动样品磁强计
• 3 离子注入及退火
• 3.1 离子注入的原理
• 3.1.1 离子注入装置的简介
• 3.1.2 非晶靶的垂直投影射程分布
• 3.1.3 标准偏差及注入离子分布
• 3.2 退火（热处理）
• 3.3 小结
• 4 退火对N 离子注入ZnO:Mn 薄膜P 型转变的影响
• 4.1 退火对薄膜结构的影响
• 4.2 退火对薄膜表面形貌的影响
• 4.3 退火对薄膜电学特性的影响
• 4.4 退火对薄膜元素化学状态的影响
• 4.5 P-ZnO:Mn-N 薄膜的稳定性及可重复性
• 4.5.1 p-ZnO:Mn-N 薄膜稳定性
• 4.5.2 p-ZnO:Mn-N 薄膜的可重复性
• 4.6 小结
• 5 P 型ZnO:Mn-N 薄膜的其它物性分析
• 5.1 P-ZnO:Mn-N 薄膜的深度剖析
• 5.1.1 p-ZnO:Mn-N 薄膜的元素化学态分析
• 5.1.2 p-ZnO:Mn-N 薄膜的元素定量分析
• 5.2 ZnO:Mn-N 薄膜的光学特性
• 5.3 ZnO:Mn-N 薄膜的磁性分析
• 5.4 小结
• 6 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况