In-N共摻雜制備p-ZnO薄膜及ZnO其它相關摻雜研究.pdf

1、ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料,屬于六方纖鋅礦結構,(002)晶面的表面自由能最低,因而ZnO通常具有(002)取向性生長.ZnO在光電、壓電、熱電、鐵電等諸多領域都具有優(yōu)異的性能,在低維納米領域也表現(xiàn)優(yōu)異,擁有各式各樣的納米結構.作為一種直接帶隙寬禁帶半導體材料,ZnO最具潛力的應用是在光電器件領域.ZnO的禁帶寬度為3.37 eV;激子結合能為60 meV,遠高于其它寬禁帶半導體材料,如GaN為25 meV,ZnO激子在室溫下

2、也是穩(wěn)定的,可以實現(xiàn)室溫或更高溫度下高效的激子受激發(fā)光.所以,ZnO在短波長光電器件領域有著極大的應用潛力,如紫藍光發(fā)光二極管(LEDs)和激光器(LDs)等,可作為白光的起始材料.ZnO要實現(xiàn)在光電領域的廣泛應用,首先必須獲得性能良好的n型和p型ZnO材料,并實現(xiàn)透明的ZnO同質p-n結.高質量的n型.ZnO很容易實現(xiàn),但是ZnO的p型摻雜由于其固有的極性卻非常困難,這是目前制約ZnO實際應用的瓶頸,也是ZnO研究中面臨的主要挑戰(zhàn).這

3、一課題也正是本文研究的重點和核心,本文的研究便是以ZnO的p型摻雜為中心而展開的. 1 實現(xiàn)了ln-N共摻p-ZnO,制備了ZnO同質p-n結,對In-N共摻實現(xiàn)p-ZnO的機理進行了詳細而深入的分析 本文用直流反應磁控濺射制備了In-N共摻p-ZnO.SIMS測試表明In、N都已經(jīng)摻入薄膜,In的摻入促進了N在薄膜中的摻雜量.我們制備的薄膜在室溫下顯示出良好的結晶質量和p型表現(xiàn).通過選用不同的襯底,得到可靠的最優(yōu)室溫

4、下的p型表現(xiàn)是在SiO<,2>/n-Si襯底上,電阻率為3.12 Ωcm,載流子濃度為2.04× 10<'18> cm<'-3>,遷移率為0.979 cm<'2>V<'-1>In-N共摻法制備p-ZnO是穩(wěn)定和可重復性兼?zhèn)涞? 研究了In含量對共摻ZnO薄膜電學性能的影響.霍爾測試結果顯示雜質離子散射是影響載流子遷移率的主要機制,它很好的解釋了隨著In含量的增加,遷移率逐漸減少的電學輸運機制.XPS結果顯示正是In的出現(xiàn),通過形

5、成In-N鍵和Zn-N鍵而促進了N摻入.改變In含量時,所得的最優(yōu)p-ZnO其電阻率為16.1Ωcm,Hall遷移率為 1.13 cm<'2>/Vs,載流子濃度為3.42×10<'17>cm<'-3>,對應薄膜中的In含量為0.14 at.﹪,此時共摻ZnO薄膜的(002)衍射峰位和本征ZnO最為接近.在襯底溫度從490℃到580℃之間,用In-N共摻方法實現(xiàn)ZnO的p型導電.在低溫區(qū)域共摻ZnO薄膜顯示出很高的電阻率,載流子導電類型不

6、確定,沒有明確的p型導電型號;在中間溫度區(qū)能夠獲得p型電導;在高溫區(qū)域載流子導電由p型轉換為n型.所制備的最優(yōu)p-ZnO其電阻率為23.7 Ωcm,Hall遷移率為0.752 cm<'2>/Vs,載流子濃度為3.51×10<'17>cm<'-3>.我們提出復合體模型,用來解釋導電類型隨襯底溫度的變化規(guī)律.通過兩步法引入緩沖層,提高了共摻ZnO薄膜的性能.所得的最優(yōu)的In-N共摻p-ZnO薄膜的可靠電阻率為 7.85 Qcm,Hall遷移

7、率為 1.47 cm<'2>/Vs,載流子濃度為5.40×10<'17>cm<'-3>.以此為基礎,制備了p-ZnO∶(In,N)/n-ZnO∶In同質p-n結,該結在Ⅰ-Ⅴ測試中顯示出明顯而良好的電流整流特性.In-N共摻ZnO薄膜的的導電性可以通過調節(jié)襯底溫度來控制,也可以通過引入緩沖層來提高相關性能,對于ZnO基光電器件有重要意義. 2.研究了ZnO其它相關摻雜 我們采用直流反應磁控濺射,制備了ZnO∶Li薄膜.

8、研究了玻璃襯底上生長的ZnO∶Li薄膜的電學性能、晶體結構和光學性能在不同退火溫度下的表現(xiàn).在所有顯示p型導電性的樣品中,當退火溫度為500℃時,所得的最優(yōu)p-ZnO其電阻率為57Qcm,Hall遷移率為1.03 cm<'2>/Vs,載流子濃度為1.07×10<'17>cm<'-3>.最佳退火溫度確定在于所得薄膜的(002)衍射峰位為34.43°,這個值和粉末ZnO的2θ值是一致,這會為Li的摻入構建一個合適的環(huán)境,使Li<,Zn>受主

9、在晶格中穩(wěn)定下來,從而獲得良好的p型導電性能.隨著退火溫度的進一步增加,載流子導電類型由p型轉換為n型,并且隨著溫度的升高,n型導電信號逐漸增強.可能是由于Li受主的再蒸發(fā),更好的結晶質量和加劇薄膜中補償施主(如Vo)的生成,因為退火在Ar氣氛下進行的.對最優(yōu)p型表現(xiàn)的樣品進行變溫PL測試,擬合得到兩個位于～140 meV和～260 meV的受主能級.我們把位于～140 meV的能級認為是Li<,Zn>受主能級.我們利用直流反應磁控濺射

10、,在不同的Ar/O<,2>比下在玻璃和Si(111)襯底上都長出了c軸高度擇優(yōu)取向,結晶質量良好的 Cd<,x>Zn<,1-x>O (x=0.1,0.2)薄膜.研究了Ar/O<,2>比對Cd<,x>Zn<,1-x>O薄膜晶體質量和帶隙的影響.當Ar/O<,2>比從1∶4到1∶1 間連續(xù)變化時,生長在玻璃襯底上的Cd<,0.1>Zn<,0.9>O薄膜的半高寬(FWHM)逐漸減少(從0.36°),在Ar/O<,2>比值為1:1取得最小值0.

11、29°;薄膜的帶隙E<,g>逐漸減少(從3.149 eV),在Ar/O<,2>比值為1:1取得最小值3.099 eV.當Ar/O<,2>比繼續(xù)增加到2:1時,半高寬則增加到0.35°;帶隙E<,g>則增加到3.114 eV.Cd<,0.2>Zn<,0.8>O薄膜半高寬(FWttM)和帶隙E<,g>的變化趨勢和Cd<,0.1>Zn<,0.9>O薄膜是一樣的.并提出了Ar/O<,2>比對Cd<,x>Zn<,1-x>O薄膜帶隙影響機制的合理解