邊繼明-p型zno摻雜理論與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

1、P型ZnO摻雜理論與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展摻雜理論與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展邊繼明(大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院遼寧大連116024)摘要摘要:ZnO是一種多用途的半導(dǎo)體材料一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。自1997年發(fā)現(xiàn)ZnO薄膜的室溫紫外光發(fā)射以來(lái)ZnO薄膜的制備及其光電子特性的研究成為新的研究熱點(diǎn)。由于ZnO薄膜中存在較強(qiáng)的自補(bǔ)償機(jī)制使得很難有效地進(jìn)行p型元素的摻雜。本文介紹了ZnO薄膜p型摻雜的理論和國(guó)內(nèi)外通用的摻雜方法對(duì)不同方法制備的p型ZnO薄

2、膜的特點(diǎn)進(jìn)行了比較分析。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:ZnO薄膜p型摻雜自補(bǔ)償效應(yīng)中圖分類號(hào)：中圖分類號(hào)：TN957.52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1引言引言ZnO是一種新型的ⅡⅥ族寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO具有許多優(yōu)異的特性，如高的熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性，良好的機(jī)電偶合性能，較低的電子誘生缺陷，而且原料易得廉價(jià)，無(wú)毒性，而且，作為一種壓電、壓敏和氣敏材料，ZnO較早便得以研究和應(yīng)用。ZnO薄膜特別是c軸取向的ZnO薄膜具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)、光學(xué)

3、和電學(xué)特性[1～3]而且相對(duì)于其他寬禁帶半導(dǎo)體如GaNZnO具有更高的激子束縛能室溫下為60meV激子增益也可達(dá)300是1cm?一種理想的短波長(zhǎng)發(fā)光器件材料[45]在LEDs、LDs等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力。ZnO薄膜作為一種新型的半導(dǎo)體材料，在很多方面值得深入研究，如：如何改進(jìn)生長(zhǎng)工藝，提高薄膜的純度，降低薄膜缺陷密度；如何實(shí)施摻雜，提高薄膜的穩(wěn)定性，改善薄膜性能，實(shí)現(xiàn)ZnO的P型轉(zhuǎn)變；ZnO單晶薄膜、納米薄膜和ZnO低維材料的研究而

4、P型摻雜一直是其研究中的主要課題。摻Al、Ga、In、F形成的n型ZnO具有優(yōu)異的性能[6～9]，ZnO的P型摻雜很早便引起了研究人員的注意，1983年，T.Yamamoto首先對(duì)其進(jìn)行了理論探討[10]，同年，M.Kasuga等人無(wú)意中觀察到了低溫（5K）下本征ZnO薄膜ZnO的pn結(jié)。目前人們對(duì)于ZnO材料中的各種缺陷對(duì)材料性能的影響尚不太清楚而p型ZnO薄膜的制備又有很大的難度因此對(duì)ZnO薄膜中缺陷的研究及n型ZnO的轉(zhuǎn)型將成為今

5、后的研究重點(diǎn)。制備高阻或低阻p型ZnO薄膜需要摻雜施主或受主雜質(zhì)。摻雜的方法一般有生長(zhǎng)后的熱擴(kuò)散方法、生長(zhǎng)過(guò)程中的氣相摻雜和離子注入等方法但較常用的一般為熱擴(kuò)散法和生長(zhǎng)過(guò)程中的氣相摻雜方法。ZnO中的本征缺陷共有6種形態(tài):(1)氧空位Vo(2)鋅空位(3)反位氧(即鋅位氧)(4)反位鋅(即氧位鋅)nZVnZO(5)間隙位氧(6)間隙位鋅。在纖鋅礦結(jié)構(gòu)中含有兩種間隙位:四面體配onZiOinZ位(tet)與八面體配位(otc)。形成能低表

6、明易形成相應(yīng)的缺陷。對(duì)于一般費(fèi)米能級(jí)位置較高的n型ZnO最易產(chǎn)生的缺陷是氧空位和鋅空位其次是八面體配位的間隙鋅。而對(duì)于費(fèi)米能級(jí)位置較低的p型ZnO最易產(chǎn)生的缺陷是鋅空位與反位氧。p型摻雜的困難在于:首先p型摻雜需要較高的馬德隆能。在ZnO中鋅的負(fù)電性為1.65而氧的負(fù)電性為3.44兩者之差達(dá)到1.79因此ZnO是一種離子晶體。它結(jié)晶的難易程度取決于馬德隆能的大小。n型摻雜時(shí)馬德隆能降低所以容易進(jìn)行而p型摻雜使馬德隆能增加造成p型摻雜比較

7、困難。其次是由于自補(bǔ)償效應(yīng)。摻雜會(huì)引起晶格的形變使晶格能量升高。為了釋放能量自然出現(xiàn)反型缺陷使材料仍呈中型這就是自補(bǔ)償現(xiàn)象。摻雜形成反型缺陷的過(guò)程是體系能量降低的過(guò)程因此是體系趨于平衡態(tài)的必然結(jié)果。禁帶寬度越大自補(bǔ)償造成的能量降低越顯著所以對(duì)寬禁帶材料摻雜時(shí)更容易產(chǎn)生自補(bǔ)償因此通過(guò)一般的摻雜很難實(shí)現(xiàn)材料的反型。以ZnO:N為例ZnO生成焓為348.28kJmol生成32nZN焓為20kJmolZnO鍵結(jié)合比ZnN鍵強(qiáng)得多N很難取代O與Z

8、n鍵合(可熔性低)。當(dāng)在ZnO中摻入受主雜質(zhì)N后氮原子孤立于ZnO四面體之外于是在N周圍產(chǎn)生Zn填隙()。是施主型缺陷它與受主雜質(zhì)之間形成自補(bǔ)償很難inZinZ通過(guò)直接摻N獲得p型導(dǎo)電類型。在摻雜理論方面Yamamoto和Yoshida用abinitial計(jì)算方法研究了p型和n型摻雜的ZnO中的單極性(unipolarity)現(xiàn)象這種單極性現(xiàn)象表明了摻雜元素的活性可由Madelung能描述Madelung能的絕對(duì)值愈大表明單極性強(qiáng)或摻雜