脈沖激光沉積法生長摻雜ZnO基薄膜及其相關(guān)器件研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種新型的氧化物半導(dǎo)體材料，具有直接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，室溫下的禁帶寬度為3.37 eV，激子束縛能高達(dá)60 meV，在下一代短波長光電器件如藍(lán)紫光發(fā)光二極管(LEDs)和激光器(LDs)等方面具有潛在應(yīng)用前景。要實(shí)現(xiàn)ZnO在這些光電子器件中的廣泛應(yīng)用，首先必須得到性能良好的n型和p型材料。ZnO的n型摻雜主要集中在Ⅲ族元素(如Al、Ga、In)，而理論研究表明F也是ZnO的一種良好的n型摻雜劑，但關(guān)于F摻雜ZnO體系的研

2、究工作進(jìn)展緩慢，因此本論文開展了F摻雜ZnO透明導(dǎo)電薄膜方面的研究。另一方面，對于ZnO的p型摻雜，由于其存在非對稱摻雜局限性使性能良好且穩(wěn)定的p型ZnO薄膜難以實(shí)現(xiàn)，是制約其在光電器件得到應(yīng)用的最大瓶頸。此外，當(dāng)前國際上對于何種元素是ZnO最佳受主的問題仍然沒有統(tǒng)一的定論。因此本論文的重要內(nèi)容之一是探求合適的p型摻雜元素和摻雜技術(shù)，并結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探討其摻雜機(jī)理。本論文的主要工作包括如下內(nèi)容：
　　 1.利用脈沖激光沉積

3、技術(shù)制備了F摻雜ZnO透明導(dǎo)電薄膜，系統(tǒng)地研究了氧偏壓對薄膜性能的影響。當(dāng)氧偏壓為0.1 Pa時，薄膜的電學(xué)性能最佳：電阻率4.83×10-4Ωcm，載流子濃度5.43×1020cm-3和Hall遷移率23.8 cm2V-1s-1，可見光內(nèi)的平均透過率約90％，在1500 nm處透過率約60％；并以此為基礎(chǔ)制備了頂柵結(jié)構(gòu)的全透明ZnO薄膜晶體管，以ZnO薄膜為溝道層，ZnO：F透明導(dǎo)電薄膜作為柵極、源極和漏極的電極材料，柵極絕緣層是Ta

4、2O5薄膜。
　　 2.采用脈沖激光沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)Li-F共摻雜ZnO薄膜p型導(dǎo)電的轉(zhuǎn)變，研究了襯底溫度對薄膜性能的影響。當(dāng)襯底溫度為550℃時，薄膜具有最好的p型導(dǎo)電性能：電阻率23.45Ωcm，空穴濃度7.57×1017cm-3和Hall遷移率0.35cm2V-1s-1。進(jìn)一步利用基于密度泛函理論的第一性原理對ZnO：(Li，F(xiàn))體系進(jìn)行了理論計(jì)算，探索Li-F共摻雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)p型ZnO的機(jī)理。
　　 3.用脈沖激光沉積

5、法成功制備出了Ag摻雜p型ZnMgO薄膜，詳細(xì)地研究了襯底溫度對薄膜性能的影響。XPS分析表明薄膜中Ag以Ag+形式存在并占據(jù)Zn格點(diǎn)位置；當(dāng)襯底溫度為400℃時，薄膜呈現(xiàn)最好的p型導(dǎo)電性能：電阻率24.96Ωcm，空穴濃度7.89×1017cm-3和Hall遷移率0.32 cm2V-1s-1，且p型導(dǎo)電性具有良好的穩(wěn)定性；并對ZnMgO：Ag和ZnO：Ag薄膜進(jìn)行了對比研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)引入Mg之后的ZnMgO：Ag薄膜不僅可以使本征施主