N-X共摻ZnO薄膜p型導電的形成機制與穩(wěn)定性研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)作為一種直接寬帶隙半導體材料，室溫下禁帶寬度為3.37 eV，激子束縛能高達60 meV，有望在室溫及更高溫度下實現(xiàn)高效的激子發(fā)光，近年來在國內(nèi)外引起了廣泛的研究熱潮。然而，ZnO作為新一代發(fā)光器件，仍面臨諸多困難，如：ZnO天然n型導電機制尚不明確；p型導電機制存在爭議；難以獲得高質(zhì)量穩(wěn)定的p型ZnO薄膜等。其中，ZnO的p型導電機制與穩(wěn)定性已成為ZnO研究中亟待解決的國際性難題。
　　為此，本論文針對ZnO當前

2、研究中熱點和難點問題，采用射頻磁控濺射制備了未摻雜、Mg、Cd摻雜n型ZnO薄膜；采用射頻磁控濺射結(jié)合離子注入及退火技術(shù)分別制備了N摻雜富鋅ZnO、Ag-N共摻及C-N共摻三類p型ZnO薄膜。結(jié)合現(xiàn)代檢測技術(shù)以及第一性原理計算，先后在ZnO天然n型導電機制，N摻雜富鋅ZnO薄膜、Ag-N共摻ZnO薄膜以及C-N共摻ZnO薄膜p型導電的形成機制及其穩(wěn)定性等相關(guān)方面開展了一系列的研究工作，得到以下主要結(jié)論：
　?、侔l(fā)現(xiàn)ZnO拉曼275

3、 cm-1振動模式與鋅間隙（Zni）缺陷密切相關(guān)。Mg摻雜和Cd摻雜可分別抑制或誘導Zni的產(chǎn)生，控制Mg或Cd的不同摻雜濃度可實現(xiàn)ZnO薄膜中 Zni濃度的有效調(diào)控。Zni缺陷的濃度決定了ZnO背景電子濃度，Zni相關(guān)缺陷是ZnO呈現(xiàn)天然n型導電的主要來源。
　?、诔晒χ苽淞烁讳\ZnO:N薄膜，發(fā)現(xiàn)其p型穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)條件下制備的非富鋅ZnO:N薄膜。富鋅ZnO:N薄膜存在一定濃度的Zni缺陷，易與NO形成Zni-2NO中性復合

4、體結(jié)構(gòu)，有效降低了受主離化能，利于獲得穩(wěn)定的p型導電ZnO:N薄膜。p-ZnO:N薄膜中存在(N2)O施主缺陷是導致其p型最終不穩(wěn)定的主要原因之一。
　?、鄄捎肁g-N共摻雜法獲得了ZnO薄膜的p型導電，空穴濃度為3.072×1016 cm-3，遷移率為2.2 cm2V-1s-1，電阻率為92.57Ωcm。AgZn-NO受主復合體的形成是Ag-N共摻ZnO薄膜的p型導電機制。盡管ZnO:(Ag，N)薄膜的p型導電能維持超過四個月，

5、但其導電性能明顯出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，p型薄膜在常溫下能自發(fā)形成(N2)O施主缺陷是導致p型不穩(wěn)定的主要原因之一。此外，結(jié)合理論和實驗揭示了氧空位是Ag-N共摻ZnO體系具有室溫鐵磁性的來源。
　　④第一性原理研究發(fā)現(xiàn)在N離子注入ZnO時，未占據(jù)氧空位的N極易與晶格O結(jié)合形成(NO)O施主缺陷，在后期退火過程中復合體中N相比O更容易先發(fā)生擴散形成“自由”移動的間隙離子。移動的間隙 N離子除了尋找未被占據(jù)的氧空位形成NO受主外，剩余的間隙N