p型ZnO薄膜的制備與研究.pdf

1、ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料,具有直接寬帶隙(室溫下3.37eV),屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO在光電、壓電、熱電、鐵電以及光電器件等諸多領(lǐng)域都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。
　　 開發(fā)ZnO材料在光電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,需要獲得性能良好的n型和p型ZnO薄膜,并制備出透明的ZnO同質(zhì)p-n結(jié)。高質(zhì)量的n型ZnO薄膜很容易實(shí)現(xiàn),但由于ZnO材料在生長(zhǎng)過程總存在諸多的本征施主缺陷(如氧空位V0和鋅間隙Zni等),對(duì)受主產(chǎn)生高度自補(bǔ)償作用,

2、故ZnO的p型摻雜相對(duì)于n型摻雜來說顯得異常的困難。研究表明,單一元素的摻雜很難得到性能良好的p-ZnO薄膜,近年來采用活性施主和受主共摻雜技術(shù)由于有可能制備出載流子濃度高、電阻率低以及性能穩(wěn)定的p型ZnO薄膜而引起了人們的廣泛關(guān)注。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,制備出的p-ZnO薄膜其性能受摻雜元素的類別和制備方法的影響非常明顯。本文采用Al-N共摻的方法成功制備出了p型ZnO薄膜,并對(duì)其有關(guān)性能進(jìn)行了研究,主要的研究工作如下:

3、>　　 1、以ZnO和Al為靶,采用磁控共濺射法,制備出了ZnO:Al薄膜:以NO和O2為氣源,通過等離子體浸沒離子注入(PⅢ)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了不同注入劑量下的N元素的注入,制備出了的ZnO:Al:N薄膜,并對(duì)薄膜進(jìn)行了退火處理,實(shí)現(xiàn)了ZnO由n型到p型的轉(zhuǎn)變。
　　 2、研究了注入劑量對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)以及電學(xué)、光學(xué)性能的影響。Hall測(cè)試顯示只有在注入劑量為2.23×1015cm-2實(shí)現(xiàn)了ZnO的p型轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)表明,退火溫度850℃、

4、Al含量為面積比0.6％時(shí),制備的p型ZnO薄膜電學(xué)性能最好,電阻率可低至8.90Ω·cm,載流子濃度可達(dá)1016cm-3量級(jí)(2.16×1016cm-3),遷移率為32.4 cm2V-1s-1。通過XRD、PL、XPS、UV對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)以及光學(xué)性能的測(cè)試得知,p型ZnO薄膜中的N元素在薄膜中主要是以替位方式占據(jù)O空位與Zn和Al成鍵的。過量的N注入會(huì)引起新的施主缺陷,使得p型性質(zhì)變差甚至重新轉(zhuǎn)變?yōu)閚型。
　　 1015cm-2

5、量級(jí)的注入劑量對(duì)于薄膜中N原子替位O原子形成No是較關(guān)鍵的參量,可能是實(shí)現(xiàn)ZnO:Al:N薄膜p型反轉(zhuǎn)的關(guān)鍵劑量。
　　 3、退火可以分解由于N注入而生成的Zn(N2)3,從而使N以替位占據(jù)O空位的形式存在,有助于ZnO實(shí)現(xiàn)p型的轉(zhuǎn)變,并且隨著退火溫度升高到一定程度電學(xué)性能達(dá)到最好,繼續(xù)升高退火溫度會(huì)使ZnO分解從而產(chǎn)生更多的施主缺陷,薄膜的p型導(dǎo)電性能變差甚至又轉(zhuǎn)變?yōu)閚型導(dǎo)電。
　　 4、適量的Al摻雜可以與N成鍵進(jìn)而