p型导电ZnO：（Al，N，H）薄膜的制备及性能研究

论文摘要

ZnO是一种新型的Ⅱ—Ⅵ族宽禁带化合物半导体材料,由于ZnO具有很高的激子束缚能（室温下为60meV）,激子增益可达到300cm-1,是一种可能的短波长发光器件材料,在LEDs、LDs等领域有巨大的应用前景。通过掺入Al、Ga等施主杂质可形成性能优异的n-ZnO材料,但p-ZnO材料的制备却较为困难。可能的原因有两个:其一是受主杂质在ZnO中的固溶度较低;其二,ZnO薄膜中存在的一些本征施主缺陷（如锌间隙和氧空位）会对受主杂质产生高度自补偿现象。T.Yamamoto等通过对不同掺杂源的ZnO制备过程中系统内部Madelung能量理论研究,提出施主-受主共掺杂技术,即通过施主（B、Al、Ga等）、受主（N、P、As等）共掺杂技术可以较容易地实现ZnO的p型转变。实验证明这是一种可行的p-ZnO的制备技术,在几种施主杂质中,Al原材料丰富,价格低廉,如果能实现Al-N共掺制备p-ZnO薄膜,那么对于ZnO材料的实际应用有极其深远的意义。 浙江大学硅材料国家重点实验室是国内最早从事ZnO薄膜研究的课题组之一,在叶志镇教授的带领下,已经采用直流磁控溅射设备用Al-N共掺杂的方法实现ZnO薄膜的p型转变。本文在实验室已经取得的基础上,利用直流磁控溅射设备,对以NH3为掺杂源的Al、N、H共掺杂ZnO薄膜进行制备工艺改进及相关p-n结的制备,得到如下结论: 1、Al含量对Al、N、H共掺杂ZnO薄膜的p型转变有着重要影响,在靶材中Al含量为0.4%～4%区间内均能获得的p-ZnO薄膜。研究表明,H的存在促进了N原子掺入,后续的退火处理能活化N原子,使其成为有效受主杂质。 2、我们进一步研究了高温同质缓冲层对ZnO:（Al,N,H）薄膜p型掺杂的影响。高温同质缓冲层是制备低阻、稳定、可重复的p-ZnO薄膜的有效方法。高温缓冲层的生长时间为3min～5min,即缓冲层厚约为30nm～50nm时,制得ZnO:（Al,N,H）薄膜的p型传导性能较好,其获得薄膜的电阻率p在16～25Ω·cm之间,载流子浓度在1018cm-3左右。 3、我们对n型传导的ZnO:（Al,N,H）薄膜在不同气氛下快速退火发现,在Ar下退火其导电类型不变,而在氧气作为保护气氛下退火却实现了p型转变。说明可能有部分的O原子在退火过程中进入ZnO薄膜中并填充了部分O空位。 4、从双异质结结构能提高器件的发光效率出发,用Al-N共掺杂的p型ZnO

论文目录

• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 ZnO的基本性质
• 2.2 ZnO的性能与应用前景
• 2.2.1 ZnO电学性能的研究
• 2.2.2 ZnO光学性能的研究
• 2.2.3 ZnO材料的其他应用
• 2.3 ZnO薄膜中的缺陷与掺杂
• 2.3.1 ZnO中的本征缺陷
• 2.3.2 ZnO中的非故意掺杂杂质
• 2.3.3 ZnO的n型掺杂
• 2.3.4 ZnO的p型掺杂
• 2.4 ZnO基p-n结的研究现状
• 2.4.1 同质p-n结
• 2.4.2 异质p-n结
• 2.5 本文的研究内容
• 第三章 直流反应磁控溅射实验原理
• 3.1 溅射镀膜技术
• 3.2 直流反应磁控溅射技术原理
• 3.3 ZnO薄膜的制备
• 3.3.1 反应原理
• 3.3.2 衬底清洗
• 3.3.3 薄膜的制备过程
• 3.3.4 薄膜的类型
• 3.4 性能表征
• 3为掺杂源的Al-N共掺杂法制备p-ZnO薄膜：工艺优化及性能研究'>第四章 以NH₃为掺杂源的Al-N共掺杂法制备p-ZnO薄膜：工艺优化及性能研究
• 4.1 施主-受主共掺杂理论
• 3为掺杂源的依据'>4.2 以NH₃为掺杂源的依据
• 4.3 Al含量对（Al，N，H）共掺杂p-ZnO薄膜的影响
• 4.3.1 Al含量对ZnO：（Al，N，H）薄膜电学性能的影响
• 4.3.2 Al含量对ZnO：（Al，N，H）薄膜结构性能的影响
• 4.4 高温缓冲层对ZnO：（Al，N，H）共掺杂薄膜的p型导电的影响及机理探讨
• 4.4.1 高温缓冲层的设计及实验方法
• 4.4.2 高温缓冲层对ZnO：（Al，N，H）薄膜的影响之电学性能
• 4.4.3 高温缓冲层对ZnO：（Al，N，H）薄膜的影响之结构性能
• 4.4.4 高温缓冲层对ZnO：（Al，N，H）薄膜的影响之光学性能
• 4.5 退火实现ZnO：（Al，N，H）薄膜的p型转变及机理探讨
• 4.5.1 退火实验过程
• 4.5.2 不同气氛下退火对ZnO：（Al，N，H）薄膜的结构性能的影响
• 4.5.3 不同气氛下退火对ZnO：（Al，N，H）薄膜的电学性能的影响
• 4.5.4 退火前后ZnO：（Al，N，H）薄膜的光学性能变化
• 4.6 本章小结
• 第五章 ZnO基异质结制备及其性能表征
• 0.8CdO_0.2／n-ZnO异质结的设计思路'>5.1 p-ZnO／n-ZnO_0.8CdO_0.2／n-ZnO异质结的设计思路
• 0.8CdO_0.2／n-ZnO的制备'>5.2 异质结p-ZnO／n-ZnO_0.8CdO_0.2／n-ZnO的制备
• 0.8CdO_0.2／n-ZnO的性能研究'>5.3 异质结p-ZnO／n-ZnO_0.8CdO_0.2／n-ZnO的性能研究
• 5.3.1 电学性能
• 5.3.2 异质结的成分分析
• 5.3.3 结构表征
• 5.3.4 光学性能
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 硕士期间发表的文章
• 致谢