In-N共掺杂ZnO薄膜的制备及特性研究

论文摘要

半导体材料ZnO因其在蓝紫外发光二极管、激光二极管等方面特有的潜在光电应用,引起了人们的广泛关注。ZnO是一种具有宽禁带半导体材料,室温下的带宽为3.36eV,激子束缚能为60meV,高于室温热能26meV,也远高于其它半导体材料,如已经在蓝紫光波段发光器件方面得到广泛应用的GaN材料,其激子束缚能为25meV。由于ZnO材料存在受主元素固溶度偏低、自补偿作用以及深能级复合中心缺陷等因素,尽管有很多关于ZnO薄膜p型导电和p-n同质结的报道,但是实现可控、高性能的p型ZnO薄膜依然是一个难点。在各种受主掺杂元素中,普遍认定N元素是实现p型ZnO的最佳受主掺杂元素,理论上表明通过对ZnO薄膜进行施主元素（Ga、Al、In）和受主元素（N）联合掺杂,既能提高N的固溶度,又能实现更浅的受主能级。本文正是基于共掺杂理论,在石英玻璃上利用射频磁控溅射结合离子注入的方法,再通过退火处理,成功的制备出性能良好的p型ZnO薄膜。借助飞利浦MRD型X衍射仪,其X射线发射源为Cu Kα1（λ=0.154178 nm）、Ecopia HMS-3000型霍尔测试仪分析了不同退火条件下对ZnO薄膜的结构及电学性质的影响,实验表明在氮气环境下退火温度和退火时间对薄膜的导电类型有很大的影响,退火温度介于550和600℃之间,同时退火时间控制在5-10min以内,可以获得较稳定的p型ZnO薄膜,其中,经过580℃退火20min的ZnO薄膜具有较好的结晶度,且p型导电性能最佳,空穴浓度达到1.22×1018cm-3,迁移率和电阻率分别为2.19cm2V-1s-1和2.33Ωcm。利用日立U-4100双光束紫外-可见分光光度计给出p型ZnO薄膜的透射谱,发现在可见光范围内都有很好的透射率,并计算其常温下的光学禁带宽度约为3.25eV,相对块材本征ZnO的禁带宽度略有减小。X光电子能谱（XPS）分析显示在p型ZnO薄膜里存在N-In键和N-Zn键,表明In掺杂可以促进N在ZnO薄膜的固溶,有利于N元素在ZnO薄膜形成受主能级。通过对实验数据的进一步处理和研究,绘出了本实验条件下ZnO薄膜p型转变随退火温度和退火时间变化的分布图,为进一步优化工艺,进而制备具有更好p型导电性能的ZnO薄膜提供重要的参考价值。

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的结构形态
• 1.3.1 ZnO体单晶
• 1.3.2 ZnO薄膜
• 1.3.3 ZnO纳米结构
• 1.4 ZnO薄膜的性能
• 1.4.1 ZnO薄膜的光学性能
• 1.4.2 ZnO薄膜的电学性能
• 1.4.3 ZnO薄膜的能带工程
• 1.5 ZnO薄膜的缺陷
• 1.5.1 ZnO的点缺陷
• 1.5.2 ZnO的线缺陷和堆垛层错
• 1.6 p型ZnO薄膜的研究进展
• IA族掺杂'>1.6.1^IA族掺杂
• 1.6.2 VA族掺杂
• 1.6.3 Ⅲ-N共掺杂
• 1.7 ZnO薄膜的应用
• 1.7.1 ZnO在压敏和气敏器件方面的应用
• 1.7.2 光电器件方面的应用
• 1.8 本文的立题依据、研究内容及创新点
• 1.8.1 立题依据
• 1.8.2 研究内容
• 1.8.3 本文的特色和创新点
• 2 射频磁控溅射的工作原理与薄膜的制备
• 2.1 薄膜生长过程
• 2.2 ZnO薄膜制备方法
• 2.2.1 化学气相沉积（CVD）
• 2.2.2 溶胶凝胶（Sol-Gel）
• 2.2.3 分子束外延（MBE）
• 2.2.4 激光脉冲沉积（PLD）法
• 2.2.5 喷雾热解（Spray Pyrolysis）
• 2.2.6 真空蒸发镀膜法
• 2.2.7 磁控溅射法
• 2.3 射频磁控溅射的基本原理
• 2.3.1 射频溅射
• 2.3.2 磁控溅射
• 2.3.3 射频磁控溅射
• 2.3.4 溅射的主要参量
• 2.4 薄膜的制备
• 2.4.1 射频磁控装置
• 2.4.2 靶材及衬底的准备
• 2.4.3 薄膜制备工艺流程
• 2.4.4 制备薄膜的基本参数
• 2.4.5 薄膜的厚度测试
• 2.5 小结
• 3 离子注入、退火及性能评价
• 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 离子注入的主要优点
• 3.1.4 离子注入的缺点
• 3.2 退火（热处理）
• 3.3 性能评价
• 3.3.1 X射线衍射（XRD）分析
• 3.3.2 霍尔（Hall）测试
• 3.3.3 双光束紫外-可见分光光度计原理
• 3.3.4 X光电子能谱基本原理
• 3.4 小结
• 4 N-In共掺杂p型ZnO薄膜的特性
• 4.1 ZnO薄膜的结构特性
• 4.2 ZnO薄膜的电学特性
• 4.3 N-In共掺杂ZnO薄膜化学成分分析
• 4.4 P型ZnO薄膜的光学特性
• 4.5 p型ZnO薄膜的稳定性及p型转变分布情况
• 4.6 小结
• 5 总结
• 参考文献
• 附:攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况
• 致谢