溶胶—凝胶法制备p型ZnO薄膜

论文摘要

ZnO是一种II-VI族直接带隙的宽禁带半导体材料,具有优异的光、电等物理性能,在短波长发光器件、透明电极、薄膜晶体管,各种压电器件等领域有着广阔的应用前景。ZnO已经成为宽禁带半导体材料领域的研究热点。高质量p型ZnO材料的生长是实现ZnO在半导体领域应用的前提和关键。理论和实验表明,通过适当的方法,掺杂I族元素和V族元素可以获得p型ZnO的材料。本文利用溶胶-凝胶法,通过掺杂Na、P两种元素制备p型ZnO薄膜,使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外-可见分光光度计、霍尔效应测试仪等仪器对制得的掺杂ZnO薄膜样品进行了测试和分析,重点研究了两种元素的掺杂量和退火温度对ZnO薄膜结构、表面形貌和光电性能的影响。选择NaCl作为掺杂源对ZnO薄膜进行Na的掺杂结果表明,Na的掺入有利于薄膜（002）方向的择优取向生长与结晶度的提高,薄膜内部存在由晶格畸变引起的拉伸应变。制备的Na掺杂ZnO薄膜厚度为285306nm,晶粒尺寸约为20nm。掺杂量为10at.%Na的ZnO薄膜在550℃时具有较高的结晶度,透光率达到90%,电阻率为103Ω·cm,载流子的迁移率为0.385cm2·V-1·s-1,载流子浓度1.66×1017cm-3,此时薄膜为p型特性。本文首次使用溶胶-凝胶法制备了P掺杂的ZnO薄膜。使用磷酸三甲酯作为P源,当P的掺杂量为1at.%,2at.%,3at.%时,薄膜中的磷原子与锌原子之比分别为0.87at.%、1.67at.%、2.23at.%。薄膜中未出现其他P的杂质相,ZnO薄膜为多晶结构,晶粒尺寸为14-17nm,透光率达到80%。当磷酸三甲酯掺杂量为2at.%,预处理温度250℃,退火温度为500℃时,此时薄膜的电阻率为1.64×103Ω·cm,载流子的迁移率为0.376cm2·V-1·s-1,载流子浓度为1.02×1016cm-3,表现为p型特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO 的基本性质与应用
• 1.1.1 ZnO 的晶体结构
• 1.1.2 ZnO 的能带结构
• 1.1.3 ZnO 的掺杂
• 1.1.4 ZnO 的应用
• 1.2 ZnO 的制备方法
• 1.2.1 磁控溅射
• 1.2.2 分子束外延
• 1.2.3 脉冲激光沉积
• 1.2.4 化学气相沉积
• 1.3 本文研究的目的及内容
• 第二章 ZnO 薄膜的制备与表征
• 2.1 溶胶-凝胶法
• 2.1.1 溶胶-凝胶过程的主要反应
• 2.1.2 溶胶-凝胶法制备薄膜
• 2.1.3 溶胶-凝胶法的特点
• 2.2 ZnO 薄膜的制备
• 2.2.1 实验试剂与仪器
• 2.2.2 衬底处理
• 2.2.3 溶胶的制备
• 2.2.4 涂膜与热处理
• 2.3 样品的检测与表征
• 2.3.1 X 射线衍射
• 2.3.2 扫描电子显微镜
• 2.3.3 紫外-可见光谱
• 2.3.4 霍尔效应测试
• 第三章 Na 掺杂对ZnO 薄膜性能的影响
• 3.1 Na 掺杂源的选择
• 3.2 Na 掺杂浓度对ZnO 薄膜的影响
• 3.2.1 Na 掺杂浓度对ZnO 薄膜结构的影响
• 3.2.2 Na 掺杂浓度对ZnO 薄膜表面形貌的影响
• 3.2.3 Na 掺杂浓度对ZnO 薄膜光学性能的影响
• 3.2.4 Na 掺杂浓度对ZnO 薄膜电学性能的影响
• 3.3 退火温度对Na 掺杂ZnO 薄膜的影响
• 3.3.1 退火温度对Na 掺杂ZnO 薄膜结构的影响
• 3.3.2 退火温度对Na 掺杂ZnO 薄膜表面形貌的影响
• 3.3.3 退火温度对Na 掺杂ZnO 薄膜光学性能的影响
• 3.3.4 退火温度对Na 掺杂ZnO 薄膜电学性能的影响
• 第四章 P 掺杂对ZnO 薄膜性能的影响
• 4.1 P 掺杂源的选择
• 4.2 P 掺杂浓度对ZnO 薄膜的影响
• 4.2.1 P 掺杂浓度对ZnO 薄膜结构的影响
• 4.2.2 P 掺杂浓度对ZnO 薄膜表面形貌的影响
• 4.2.3 P 掺杂浓度对ZnO 薄膜光学性能的影响
• 4.2.4 P 掺杂浓度对ZnO 薄膜电学性能的影响
• 4.3 退火温度对P 掺杂ZnO 薄膜的影响
• 4.3.1 退火温度对p 掺杂ZnO 薄膜结构的影响
• 4.3.2 退火温度对P 掺杂ZnO 薄膜表面形貌的影响
• 4.3.3 退火温度对P 掺杂ZnO 薄膜光学性能的影响
• 4.3.4 退火温度对P 掺杂ZnO 薄膜电学性能的影响
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢