氮掺杂p型ZnO薄膜的生长及理论研究

论文摘要

ZnO是一种宽带隙半导体材料（Eg=3．37eV），因其非常优越的光电性能及其在光电子器件中的巨大应用价值而被誉为“二十一世纪半导体”。通常在制备ZnO材料的过程中会产生氧空位和锌填隙原子，这些缺陷使ZnO呈n型导电特性，所以n型掺杂容易实现。同时，氧化锌中存在的本征施主缺陷，对受主掺杂产生高度自补偿作用，并且受主杂质固溶度很低，这导致生长p型ZnO及制备p-n结非常困难。p型ZnO的制备已成为ZnO作为半导体光电子材料的发展瓶颈，也是当今半导体光电子领域研究的世界性难点和热点之一。V族元素被认为最有望获得ZnO的p型掺杂。N在V族元素中离子半径和p轨道能量都是最小的，而且N的离子半径跟氧接近，因此N被认为是实现p-ZnO最合适的受主元素之一。目前制备ZnO：N薄膜主要有MBE、MOCVD、溅射、PLD和Zn3N2热氧化法，但存在着工艺复杂，设备昂贵和源有毒等问题。因此通过SSCVD工艺，使用自行设计合成的新型固态源Zn4（OH）2（O2CCH3）6·2H2O生长出p型ZnO薄膜具有非常重要的现实意义。本文在系统阐述了ZnO的性能与应用及其制备技术、缺陷与掺杂方式等基础上，对ZnO的p型掺杂进行了研究，通过多种测试手段和理论分析，取得了一些阶段性成果：1、用本试验室自行设计的SSCVD装置，利用两步法工艺，通过氮的掺杂，实现了ZnO的p型转变，薄膜具有较好的a-b轴取向和可见光区约为70-80％的透过率。2、具体研究了衬底温度对ZnO薄膜p型掺杂的影响。基片温度为500-600℃时获得了p型ZnO薄膜，而且在600℃时，空穴浓度为3．12×1016cm-3、电阻率为1．34Ωcm、迁移率为149．01 cm2／Vs。3、SSCVD一步法无法实现氮的掺入，薄膜呈现富锌状态，并且PL谱中存在激子-激子相互碰撞引起的受激辐射峰。4、采用SSCVD两步法工艺，在Si（100）衬底上形成p-ZnO／n-Si异质结二极管，其Ⅰ-Ⅴ曲线显示了整流特性。5、利用第一性原理计算了ZnO：NO+VZn模型的电子结构，通过比较理想配比ZnO、ZnO：N和ZnO：NO+VZn模型电子结构的不同，可知：VZn展宽N产生的深能级缺陷态，减弱了受主能级局域化程度，从而激活了N原子，提高了N原子的固溶度，使N原子能更容易的掺入ZnO中，从而可以制备高质量的稳定p型ZnO薄膜。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO薄膜的性质
• 1.3 ZnO薄膜的应用
• 1.4 ZnO薄膜的制备方法
• 1.5 ZnO薄膜的点缺陷
• 1.5.1 ZnO薄膜的本征点缺陷
• 1.5.2 本征点缺陷对制备p型ZnO的影响
• 1.6 p型ZnO的研究进展
• 1.6.1 Ⅰ族元素掺杂
• 1.6.2 Ⅴ族元素掺杂
• 1.6.3 共掺杂
• 1.6.4 非故意掺杂
• 1.7 单源化学气相沉积法（SSCVD）简介
• 1.7.1 单源化学气相沉积法（SSCVD）及其特点
• 1.7.2 单源化学气相沉积法（SSCVD）原理与技术
• 1.7.3 SSCVD制备ZnO薄膜的研究进展
• 1.8 本论文的研究的目的和意义
• 第二章 单源化学气相沉积装置及样品分析方法
• 2.1 单源化学气相沉积（SSCVD）装置介绍
• 2.2 衬底的预处理
• 2.3 ZnO薄膜的分析表征手段
• 2.3.1 X射线衍射（XRD）
• 2.3.2 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.3.3 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.4 光致发光谱（PL）
• 2.3.5 霍尔效应及范德堡方法
• 2.3.6 X-Y记录仪
• 第三章 SSCVD制备氮掺杂p-ZnO薄膜及器件
• 3.1 两步法氮掺杂p-ZnO薄膜的制备与分析
• 3.1.1 结构性质
• 3.1.2 形貌分析
• 3.1.3 XPS分析
• 3.1.4 光学性质
• 3.1.4.1 紫外-可见光透过率
• 3.1.4.2 光致发光谱
• 3.1.5 电学性质
• 3.2 一步法氮掺杂ZnO薄膜的制备与分析
• 3.2.1 结构性质
• 3.2.2 XPS分析
• 3.2.3 光学性质
• 3.2.3.1 紫外-可见光透过率
• 3.2.3.2 光致发光谱
• 3.3 基于ZnO薄膜的异质结器件
• 3.3.1 电极特性
• 3.3.2 异质结器件
• 第四章 两步法N掺杂p-ZnO薄膜的理论计算
• 4.1 第一性原理的发展、作用及优点
• 4.2 CASTEP软件包功能特点
• 4.3 论模型与计算方法
• 4.4 两步法氮掺杂p-ZnO掺杂机制的计算
• 4.4.1 晶胞优化
• Zn模型电子结构的计算'>4.4.2 ZnO:No+V_Zn模型电子结构的计算
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果