氮離子注入氧化鋅薄膜引起的結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)變化研究.pdf

1、通過磁控賤射在玻璃基底上制備出了的厚度約為630nm氧化鋅(ZnO)薄膜，在室溫下用能量為140keV，劑量為2×1016cm-2的氮(N)離子對(duì)該膜進(jìn)行注入。注入后的樣品在200到600℃范圍內(nèi)真空退火1小時(shí)。分別采用了X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電子能量色譜儀(EDX)、紫外-可見分光光度計(jì)(UV-Vis)、熒光分光光度計(jì)(PL)和物理性能測(cè)試系統(tǒng)(PPMS)等分析手段對(duì)各種處理?xiàng)l件下的ZnO薄膜進(jìn)行了分析，詳細(xì)

2、的研究了它們的結(jié)構(gòu)特性、表面形貌、化學(xué)成分、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)特性。 X射線衍射(XRD)結(jié)果表明，在未注入的ZnO薄膜中，(002)峰和(004)的強(qiáng)度相對(duì)較高，表明ZnO薄膜具有較好的結(jié)構(gòu)特性。在高劑量N離子注入以后導(dǎo)致了(002)峰和(004)的強(qiáng)度急劇減小。這表明N離子注入已經(jīng)導(dǎo)致了薄膜表面結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重受損。隨后的退火會(huì)導(dǎo)致(002)峰和(004)的強(qiáng)度逐漸增加，這反映了ZnO的晶格結(jié)構(gòu)的恢復(fù)。同時(shí)，在300℃退火時(shí)，(002

3、)的峰位向小角度發(fā)生了偏移，這可能是跟ZnO薄膜的氮氧化物形成有關(guān)；而在600℃時(shí)，(002)峰和(004)又恢復(fù)原位，這說明在較低溫度下形成的氮氧化物在高溫下已經(jīng)分解為氣體。而在掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)到了400℃下退火的ZnO薄膜，發(fā)現(xiàn)晶粒大小為30-50nm。當(dāng)退火溫度達(dá)到600℃的時(shí)候，在薄膜表面發(fā)現(xiàn)了大小約為50nm左右的孔洞，這說明高溫退火導(dǎo)致了薄膜表面大量氮氧化物的分解。 紫外可見吸收和透射光譜(UV-Vis)

4、顯示未注入的ZnO薄膜的光學(xué)性質(zhì)非常好，其平均透射率高達(dá)85％。然而，N離子注入以后光學(xué)透射率急劇降低到50％左右，并且透射截至波長(zhǎng)從370nm藍(lán)移到330nm。這說明N離子注入已經(jīng)影響了ZnO的光學(xué)性質(zhì)。隨后的退火導(dǎo)致了ZnO薄膜光學(xué)性質(zhì)的恢復(fù)。隨著退火溫度的逐漸增加，光學(xué)透射率也從50％增加到了90％左右。此外，研究中使用了光學(xué)帶隙(Eg)和帶尾參數(shù)(Eo)來(lái)描述ZnO薄膜的帶邊和近帶邊特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，離子注入導(dǎo)致了Eg和Eo的增加

5、。較高的Eg表明了離子注入導(dǎo)致了B-M漂移，而較高的Eo說明薄膜內(nèi)部有很高的雜質(zhì)濃度。隨著退火溫度的增加，光學(xué)帶隙增加，帶尾參數(shù)減小，這表明ZnO薄膜內(nèi)的雜質(zhì)得到了純化和充分?jǐn)U散，光學(xué)性質(zhì)得到了恢復(fù)。 光致發(fā)光(PL)測(cè)試結(jié)果表明，在未注入的ZnO薄膜中觀測(cè)到三個(gè)發(fā)光帶，分別是2.65，2.8和3.0eV。2.65eV的發(fā)光帶歸因于氧空位(Vo)，而2.8和3.0eV發(fā)光帶歸因于鋅的間隙子(Zni)。N離子注入導(dǎo)致了光致發(fā)光的嚴(yán)

6、重惡化，三個(gè)發(fā)光帶幾乎完全消失。隨后的退火使得ZnO薄膜發(fā)光強(qiáng)度的得到了部分恢復(fù)，這種恢復(fù)與ZnO內(nèi)部的各種缺陷演變有關(guān)。當(dāng)退火溫度到達(dá)300℃時(shí)激活了鋅的間隙子，所以2.8和3.0 eV的發(fā)光帶開始增強(qiáng)。當(dāng)退火到600℃時(shí)，氧的空位成為主要ZnO薄膜中的主要缺陷形式，而鋅間隙子被部分抑制，所以2.65eV的發(fā)光帶逐漸增加，同時(shí)2.8和3.0eV的發(fā)光帶發(fā)生了紅移?；魻栃?yīng)(Hall)測(cè)量結(jié)果表明N離子注入的薄膜在退火到600℃的時(shí)候仍

7、然是n型，載流子濃度高達(dá)6.67×1022cm-3。強(qiáng)烈的自補(bǔ)償效應(yīng)、過高的摻雜濃度和嚴(yán)重的晶格失配導(dǎo)致了制作p型ZnO薄膜的失敗。使用較低劑量的N離子注入(～1×1015cm-2)生長(zhǎng)在GaN基底上的ZnO薄膜可能是制作p型ZnO薄膜的有效途徑。通過理論研究認(rèn)為N的受主能級(jí)過高，并不是制作高效、可重復(fù)的p型ZnO薄膜的最理想的元素。通過Mg、N共摻不僅可以減小受主能級(jí)，而且能避免N和Mg的p-d軌道雜化。此外，在摻雜后，其電介質(zhì)函數(shù)虛