脉冲激光沉积制备ZnO薄膜及其掺杂研究

论文摘要

ZnO具有六角纤锌矿的晶体结构,是一种直接带隙的宽禁带半导体材料,室温下的带隙宽度为3.37eV,激子束缚能高达60meV。由于具有大的束缚能,激子更易在室温下实现高效率的激光发射,是一种适用于在室温或更高温度下应用的短波长发光材料。因此,在平面显示器、太阳能电池透明电极、气敏元件等光电子器件领域有着广阔的应用前景,成为半导体领域里的一个研究热点。本论文系统地研究了采用KrF准分子脉冲激光沉积技术制备ZnO薄膜的工艺和性质,用X射线衍射(XRD)、荧光光谱(PL)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及霍尔(Hall)测量等测试手段对ZnO的制备工艺和掺杂进行了分析。得到以下结论:1.在不同衬底温度下制备了ZnO薄膜,衬底温度500℃—650℃样品的XRD结果表明其都具有c轴取向的生长特性。随着衬底温度的升高,ZnO(002)衍射峰的半高宽减小,薄膜的晶体质量有所提高。600℃沉积的样品表面平整、致密,界面清晰可见。衬底温度为600℃生长的样品具有较强的紫外发射。2.在不同的氧气压力下生长了ZnO薄膜,在5Pa—60 Pa氧气氛围中生长的ZnO薄膜c轴择优取向良好。当氧气压力为25Pa时,衍射峰最强,薄膜表面形貌清晰,紫外峰强度增大,这可能是由于ZnO薄膜的一些性能与其中的结构缺陷有关。3.在不同的激光频率下生长ZnO薄膜,在3Hz—20Hz激光频率中生长的ZnO薄膜c轴择优取向良好。当激光频率为3Hz时,薄膜质量最好,这可能是因为激光频率对ZnO束流到达生长表面的时间间隔产生影响。4.在不同Al掺杂含量的条件下生长ZnO薄膜,Al含量为0.2%—3.7%的样品XRD结果表明其都具有c轴取向的生长特性。随着Al含量的增加,ZnO薄膜的主峰(002)逐渐变弱。从样品的霍尔测试结果表明当Al含量为1.7%时,AZO的电阻率最低,这可能是由于Al作为施主态原子的加入引起了载流子浓度的增加,使电阻率降低。然而,当Al掺杂含量大于1.7%时,随着Al质量分数的进一步增加,电阻率反而上升,可能是由于Al在ZnO中有限的固溶度,过量的Al原子不可能完全进入ZnO晶格中,有些Al与O作用形成了不导电的Al2O3丛,使部分晶格处于无序状态,反而阻碍了电子的运动。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO 的基本性质
• 1.3 ZnO 的晶体结构
• 1.4 ZnO 的光电特性
• 1.5 ZnO 薄膜的发光机理
• 1.5.1 绿光的发光机制
• 1.5.2 其他光的发光机制
• 1.6 ZnO 薄膜的掺杂研究
• 1.6.1 n 型掺杂
• 1.6.2 p 型掺杂
• 1.6.3 未掺杂（控制气氛）
• 1.6.4 ZnO﹕N
• 1.6.5 ZnO﹕P
• 1.6.6 ZnO﹕As
• 1.6.7 施主受主共掺杂
• 1.6.8 掺Er
• 1.7 ZnO 的广泛应用
• 1.7.1 制作紫外光探测器
• 1.7.2 可与GaN 互作缓冲层
• 1.7.3 用于光电器件的单片集成
• 1.7.4 制作表面声波器件
• 1.8 ZnO 薄膜的制备方法
• 1.8.1 脉冲激光沉积（PLD）
• 1.8.2 金属有机化学气相沉积（MOCVD）
• 1.8.3 分子束外延（MBE）
• 1.8.4 溅射（Sputter）
• 1.8.5 原子层外延（ALE）
• 1.8.6 溶胶凝胶法（Sol-gel）
• 1.8.7 喷射热分解法（Spray pyrolysis）
• 1.8.8 电子束蒸发
• 1.9 本人所做的工作
• 第二章 实验方法及工艺研究
• 2.1 脉冲激光沉积（PLD）概述
• 2.2 PLD 的基本原理
• 2.2.1 激光与靶相互作用及等离子体的气化、产生及膨胀
• 2.2.2 激光等离子体与基片表面的相互作用
• 2.2.3 在衬底表面凝结成膜
• 2.3 PLD 特点
• 2.3.1 PLD 技术的优点
• 2.3.2 PLD 技术的缺点
• 2.4 PLD 薄膜生长实验设备简介
• 2.5 ZnO 薄膜的制备工艺
• 2.5.1 ZnO 薄膜的生长方式和衬底的选择
• 2.5.2 靶材烧结
• 2.5.3 生长过程
• 2.6 ZnO 薄膜的表征手段和分析方法
• 2.6.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.6.2 扫描电子显微术与原子力显微术
• 2.6.3 光致发光测试分析
• 2.6.4 霍尔（Hall）测量
• 第三章 高质量的ZnO 薄膜制备与特性分析
• 3.1 衬底温度对ZnO 薄膜的影响
• 3.1.1 实验过程
• 3.1.2 XRD 分析
• 3.1.3 AFM 分析
• 3.1.4 荧光谱分析
• 3.2 环境氧压对ZnO 薄膜的影响
• 3.2.1 实验过程
• 3.2.2 XRD 分析
• 3.2.3 AFM 分析
• 3.2.4 荧光谱分析
• 3.2.5 霍尔（Hall）测试
• 3.3 激光频率对ZnO 薄膜的影响
• 3.3.1 实验过程
• 3.3.2 XRD 分析
• 3.3.3 SEM 分析
• 3.3.4 荧光谱分析
• 3.4 小结
• 第四章 Al 掺杂 ZnO 薄膜的性能测试
• 4.1 实验过程
• 4.2 AZO 薄膜的X-射线衍射（XRD）谱
• 4.3 SEM 分析
• 4.4 AZO 薄膜的电学性质
• 4.5 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢