P型ZnO薄膜及其p-n结的制备与性能的研究

论文摘要

zno是n一IV宽禁带半导体材料，禁带宽度为3 .3 7eV，属于六方纤锌矿结构，具有压电、热电、气敏和光电等多种性能，在很多领域都有广泛的应用。zno具有较高的激子结合能(室温下为60mev)，远大于室温热能(26mev)，也远高于其他宽禁带半导体材料(如:GaN为25meV，znse为22meV)，理论上能在室温下获得高效的紫外激子发光和激光，因此，Zno材料在短波长光电器件方面有着巨大的潜在应用。但是要实现Zno材料在光电器件方面的应用，首先要获得高质量的n型和p型zno薄膜及zno同质p一n结。由于zno本征为n型材料，因此，制备高质量的n型Zno材料比较容易，通过掺杂nl族(AI、Ga等)元素，可以制备出电阻率为10一4Qcm数量级透明导电薄膜。但是由于zno中存在较强的本征施主缺陷自补偿作用和可能存在的H施主掺杂，要获得高质量的p型zno薄膜非常困难，这限制了zno基光电器件的发展。本文采用磁控溅射技术，以zn3AsZ为掺杂源，找到了制备p型zno:As薄膜两条新的途径:(i)通过溅射Zno:Zn3AsZ陶瓷靶;(ii)同时溅射纯zn3As:和纯zno陶瓷靶。利用多种材料表征手段研究了样品的结构、形貌、电学和光学性能，讨论了生长和热处理条件对薄膜各种性能的影响，制备出了载流子浓度为10’“一10’7cm一，的p型zno:As薄膜。在zno:As薄膜中，由于As原子半径比0原子半径大的多，As很难直接取代zno中0的位置而形成受主缺陷。本文从材料热力学的角度，依据Aszn一ZVz。受主模型尝试的解释了实验中的As掺杂Zno薄膜的电学行为，认为Zno的导电类型与衬底温度密切相关，只有在适当的温度范围内，才能制备出p型zno:As薄膜，此外，对n型zno:As薄膜适当的热处理，可以使其导电类型转变成p型。用xPs研究了As在p型zno:As薄膜的化学键状态，其结果表明As在薄膜中以As一。存在，即As处于氧化态，这证明了As在薄膜中不是直接取代0的位置而形成受主缺陷，这一点有助于深入研究As掺杂zno的导电机制，也支持了Aszn一ZVz。受主模型。在获得p型zno:As薄膜的基础上，成功制备出了具有明显整流性的zno基同质p一n结及在p型si上制备了整流性较好的zno基异质p一n结，并分析了p一n结的结构、形貌、电学和光学性质。另外，采用磁控溅射技术制备出了Mgzno:As薄膜，初步研究了生长和热处理条件对Mgzno:As薄膜结构、形貌、电学和光学性能的影响，认为Mg元素的掺杂对薄膜的导电类型产生了重要影响，由于MgZ十(0 .57A)半径与znZ十(0 .60A)半径相近，与As原子相比，Mg原子更易取代zn位置，导致薄膜中Aszn一Zvz。受主结构比较难形成，因此p型Mgzno:As薄膜比较难制备。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 ZnO 的结构
• 1.3 ZnO 的固有缺陷和荧光性质
• 1.4 ZnO 掺杂的研究进展
• 1.4.1 H 元素的掺杂
• 1.4.2 施主掺杂
• 1.4.3 受主掺杂
• 1.5 ZnO 的应用
• 1.5.1 光电器件
• 1.5.2 透明导电薄膜
• 1.6 ZnO 作为光电材料研究中存在的主要问题
• 1.7 ZnO 薄膜的制备方法
• 1.7.1 磁控溅射
• 1.7.2 脉冲激光沉积
• 1.7.3 分子束外延
• 1.7.4 金属有机化学气相沉积
• 1.7.5 喷涂热分解
• 1.8 薄膜的形成过程
• 1.9 本文的选题依据及主要研究内容
• 1.10 主要创新点
• 第2章 样品的制备及表征
• 2.1 薄膜样品的制备
• 2.1.1 磁控溅射系统
• 2.1.2 溅射原理
• 2.1.3 靶材的制备
• 2.1.4 衬底的选择与处理
• 2.1.5 样品的制备过程
• 2.2 表征方法介绍
• 2.2.1 结构和成分分析
• 2.2.2 表面形貌观察
• 2.2.3 电学测量
• 2.2.4 光学测量
• 第3章 纯ZnO 薄膜结构性能的研究
• 3.1 ZnO 薄膜与粉末的结构和性能
• 3.1.1 X-射线衍射（XRD）
• 3.1.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 3.1.3 紫外可见光吸收光谱（UV-Vis）
• 3.2 生长和热处理条件对ZnO 薄膜与粉末的结构和性能的影响
• 3.2.1 X-射线衍射（XRD）
• 3.2.2 原子力显微镜（AFM）
• 3.2.3 光学性能
• 3.3 本章小结
• 第4章 As 掺杂ZnO 薄膜的结构性能研究
• 3AS₂/ZnO 靶制备的ZnO 薄膜结构性能研究'>4.1 溅射Zn₃AS₂/ZnO 靶制备的ZnO 薄膜结构性能研究
• 4.1.1 X-射线衍射（XRD）
• 4.1.2 As 掺杂ZnO 薄膜表面形貌（AFM、SEM）
• 4.1.3 X-射线能量散射谱（EDS）
• 4.1.4 X-射线光电子能谱（XPS）
• 4.1.5 霍尔效应
• 4.1.6 紫外-可见光透光光谱（UV-Vis）
• 3AS₂ 和ZnO 靶制备ZnO 薄膜结构性能研究'>4.2 共溅射Zn₃AS₂ 和ZnO 靶制备ZnO 薄膜结构性能研究
• 4.2.1 X-射线衍射（XRD）
• 4.2.2 As 掺杂ZnO 薄膜的表面形貌（SEM）
• 4.2.3 薄膜成分分析
• 4.2.4 X-射线光电子能谱（XPS）
• 4.2.5 欧姆接触
• 4.2.6 霍尔效应
• 4.2.7 紫外-可见光透光光谱（UV-Vis）
• 4.3 本章小结
• 第5章 ZnO 基p-n 结性质的研究
• 5.1 引言
• 5.2 ZnO 同质结
• 5.2.1 玻璃衬底
• 5.2.2 p-n 结的透光性
• 2/Si 衬底'>5.2.3 SiO₂/Si 衬底
• 5.3 ZnO 异质结
• 5.4 本章小结
• 第6章 ZnO: （Mg, As）薄膜性能的研究
• 6.1 X-射线衍射（XRD）
• 6.2 原子力显微镜（AFM）
• 6.3 X-射线能量散射谱（EDS）
• 6.4 霍尔效应
• 6.5 紫外-可见光透光光谱（UV-Vis）
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读博士学位期间所发表与待发表的论文