ZnO薄膜的摻雜和光電性質(zhì)研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)作為一種寬禁帶半導(dǎo)體(3.37eV)，具有較高的激子結(jié)合能60 meV在開(kāi)發(fā)短波長(zhǎng)光電器件等諸多方面有著很大的應(yīng)用潛力。然而，ZnO的實(shí)用化仍存在許多問(wèn)題和困難，例如p型ZnO的摻雜、同質(zhì)p-n結(jié)的制備問(wèn)題。同時(shí)，ZnO的一些基本問(wèn)題如缺陷物理學(xué)、缺陷與發(fā)光的關(guān)系、ZnO的導(dǎo)電機(jī)理等也顯得十分重要，需要進(jìn)行深入研究。本論文正是基于這樣的背景，圍繞著ZnO的p型摻雜、缺陷物理與發(fā)光等問(wèn)題，開(kāi)展了如下工作。
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2、.采用Ag摻雜技術(shù)生長(zhǎng)了p型ZnO薄膜，并制備了具有整流特性的同質(zhì)p-n結(jié)。XRD測(cè)試表明所得薄膜結(jié)晶性質(zhì)良好。對(duì)比分析了未摻雜和Ag摻雜ZnO薄膜的低溫(10K)光致發(fā)光譜，發(fā)現(xiàn)Ag的摻入使得光譜中出現(xiàn)了3.315 eV的新發(fā)光峰，分析認(rèn)為來(lái)自于Agzn中性受主束縛激子發(fā)射。霍爾效應(yīng)測(cè)得摻Ag的氧化鋅薄膜為p型，電阻率約0.1Ω cm，遷移率約36 cm2/Vs，空穴濃度約1.7×1018 cm-3。在此基礎(chǔ)上制備了ZnO∶Ag/Zn

3、O的同質(zhì)結(jié)，Ⅳ測(cè)試顯示了明顯的整流特性，且反向漏電流很小。
　　 2.首次在實(shí)驗(yàn)上采用Ag-S雙摻雜的方法制備了p型ZnO薄膜。XRD和SEM測(cè)試表明，所得樣品為c軸高度取向，且表面平整致密的ZnO薄膜。XPS測(cè)試證實(shí)了Ag、S的有效摻入。通過(guò)對(duì)Ag3d的窄區(qū)掃描圖分析發(fā)現(xiàn)樣品中存在Agzn-nSo復(fù)合缺陷。低溫PL譜測(cè)試觀測(cè)到了與該復(fù)合缺陷有關(guān)的A°X發(fā)射。計(jì)算得到其受主能級(jí)離價(jià)帶頂158 meV，這比Agzn受主能級(jí)淺許多，

4、表明Ag、S雙摻能較好地解決Ag摻雜的深受主問(wèn)題。制備了n-ZnO/ZnO∶(Ag,S)同質(zhì)結(jié)，室溫Ⅰ-Ⅴ測(cè)試表明，該結(jié)有良好的整流特性，證實(shí)Ag、S雙摻的ZnO薄膜是p型電導(dǎo)。
　　 3.通過(guò)高壓和低壓兩種方法對(duì)ZnO單晶進(jìn)行了Zn摻雜，研究了不同的實(shí)驗(yàn)條件下所得樣品的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，證實(shí)了以下結(jié)論：1:Zn摻雜在ZnO單晶中形成鋅間隙，是離化能約為50meV的淺施主，大大提高了ZnO晶體中的電子濃度，是非故意摻

5、雜ZnO的n型導(dǎo)電的主要來(lái)源；2：鋅間隙極大增強(qiáng)了ZnO紫外發(fā)光強(qiáng)度，在ZnO的室溫紫外發(fā)光中起到了極大作用。
　　 4.通過(guò)直流磁控濺射制備了ZnO薄膜，然后分別在N2、O2以及ZnO粉末覆蓋后在1100℃下進(jìn)行高溫?zé)崽幚硪粋€(gè)小時(shí)，得到了n型、p型和高阻三類(lèi)導(dǎo)電類(lèi)型的樣品。XRD和AFM測(cè)試表明，所得樣品的結(jié)晶質(zhì)量良好。利用XPS和PL研究了樣品的成分和發(fā)光。研究發(fā)現(xiàn)，在N2氣氛中高溫?zé)崽幚順悠返膎型導(dǎo)電，主要來(lái)自于Zni缺陷

6、，而在O2氣氛中高溫?zé)崽幚順悠返膒型導(dǎo)電來(lái)自于Ozn缺陷。粉末覆蓋后進(jìn)行高溫?zé)崽幚順悠烦尸F(xiàn)高阻的原因，主要是相應(yīng)的缺陷濃度的減小所致。
　　 5.利用化學(xué)氣相淀積技術(shù)在Si襯底上制備了光亮均勻的ZnO薄膜，對(duì)所得ZnO薄膜的結(jié)晶狀況、形貌和光致發(fā)光特性進(jìn)行了表征與分析。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)Al元素?fù)诫s，制備了AZO(ZnO∶Al)透明導(dǎo)電膜。利用Hall測(cè)試方法對(duì)AZO薄膜的載流子濃度、遷移率和電阻率進(jìn)行了測(cè)試。在400-800 n