Na摻雜ZnO性能研究.pdf

1、ZnO是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體，其禁帶寬度為3.37eV。由于ZnO的高激子束縛能(60meV)而備受關(guān)注。同時(shí)，由于ZnO單晶及薄膜制備工藝的不斷完善，使得ZnO在各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如發(fā)光二極管、透明導(dǎo)電薄膜、紫外探測(cè)器及氣敏材料等。由于ZnO摻雜的不對(duì)稱性，使得n型ZnO非常容易通過(guò)本征缺陷或故意摻雜獲得，但是，至目前為止，高質(zhì)量穩(wěn)定的p型ZnO的制備仍然比較困難。ZnO中的p型摻雜劑通常為(I)族及(V)族元素，其中，Na

2、作為有效p型摻雜而受到廣泛關(guān)注。理論計(jì)算顯示Na摻雜可以在ZnO中形成淺受主能級(jí)，同時(shí)由于Na與Zn的離子半徑相近，形成的受主摻雜NaZn引起的晶格畸變較小。在實(shí)驗(yàn)方面，Na摻雜ZnO相關(guān)的報(bào)道越來(lái)越多，也不乏p型ZnO及ZnO基同質(zhì)結(jié)的實(shí)現(xiàn)。葉志鎮(zhèn)教授課題組是最早開展Na摻雜ZnO研究的課題組之一，并取得了相當(dāng)?shù)某晒?。本文的工作在此基礎(chǔ)上開展，通過(guò)PLD、熱擴(kuò)散及離子注入等方法對(duì)Na摻雜ZnO的制備和性質(zhì)進(jìn)行研究。本論文工作主要包含以

3、下內(nèi)容:
　　1.采用PLD工藝，在石英襯底上制備了多層結(jié)構(gòu)的Naδ摻雜p型ZnO薄膜。實(shí)驗(yàn)中以NaF陶瓷靶材為Na源，研究了襯底溫度及氧氣壓強(qiáng)對(duì)Naδ摻雜ZnO薄膜電學(xué)性能的影響。并獲得了最佳的p型Na摻雜ZnO薄膜，其載流子濃度為7.9×1017cm-3，電阻率為29.8Ωcm，霍爾遷移率為0.263cm2/Vs。此方面的工作為p型ZnO薄膜摻雜提供了新的思路。
　　2.以本征ZnO薄膜為襯底，通過(guò)熱擴(kuò)散制備了Na摻雜p

4、型ZnO薄膜。其中，如1所述，Na源層通過(guò)PLD法獲得。在此基礎(chǔ)上，獲得最佳的p型Na摻雜ZnO薄膜的載流子濃度為1.94×1015cm-3，電阻率7.54Ωcm，霍爾遷移率為7.54cm2/Vs。通過(guò)霍爾及XPS結(jié)果分析，熱擴(kuò)散溫度及時(shí)間是影響Na摻雜ZnO薄膜電學(xué)性能的主要因素。同時(shí)，我們制備的ZnO基同質(zhì)結(jié)顯示出良好的整流效應(yīng)，進(jìn)一步證實(shí)了通過(guò)熱擴(kuò)散方法摻雜的ZnO薄膜確實(shí)為p型ZnO。
　　3.通過(guò)三重Na離子注入，在Zn

5、O單晶中實(shí)現(xiàn)了厚度約300nm的均勻Na摻雜ZnO層。低溫PL顯示，經(jīng)過(guò)850℃，6min的快速熱處理后，ZnO中位于3.352eV(I10)的發(fā)光峰得到顯著增強(qiáng)，我們認(rèn)為其與Na受主相關(guān)。同時(shí)，我們制備的ZnO基同質(zhì)結(jié)顯示出良好的整流效應(yīng)，證實(shí)了通過(guò)此方法制備的薄膜為p型ZnO薄膜。此外，我們還研究了單次Na離子注入對(duì)單晶ZnO影響。
　　4.我們采用離子注入工藝制備了Na摻雜的ZnO納米陣列，并研究了退火溫度對(duì)其光學(xué)性能的影響

6、。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過(guò)在600-800℃下的退火處理可對(duì)ZnO中的輻射缺陷進(jìn)行有效修復(fù)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)800℃退火后，ZnO薄膜的低溫PL譜中顯示了位于3.352eV(I10)的發(fā)光峰，其與Na受主NaZn相關(guān)。此外，隨著退火溫度的升高，I6-8發(fā)光峰強(qiáng)度下降，而I3發(fā)光峰強(qiáng)度升高，說(shuō)明更多的中性施主在高溫下產(chǎn)生了電離。
　　5.經(jīng)過(guò)Ne離子注入的ZnO納米陣列的光致發(fā)光譜中具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的紫光發(fā)光峰。其精細(xì)結(jié)構(gòu)間隔為72meV，對(duì)應(yīng)于ZnO中