Al-N共摻法制備P型ZnO及其性能研究.pdf

1、ZnO是一種極具應(yīng)用潛力的直接寬禁帶半導(dǎo)體材料,室溫禁帶寬度為3.37eV,近年來,ZnO作為寬帶半導(dǎo)體材料的研究越來越受到人們的重視.與其它寬禁帶半導(dǎo)體材料相比,ZnO具有許多優(yōu)點,自由激子結(jié)合能高達60meV,薄膜生長溫度低,抗輻射性好,受激輻射有較低的閾值功率和很高的能量轉(zhuǎn)換效率,這些優(yōu)點使ZnO有望在短波長發(fā)光二極管、激光器、探測器和太陽能電池等眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用.ZnO實用化的前提是制備出性能優(yōu)良的p型和n型材料,本征Zn

2、O呈n型導(dǎo)電性,通過摻Al、Ga、In等元素,人們已經(jīng)很容易實現(xiàn)ZnO的n型摻雜.但是ZnO的p型摻雜十分困難,這是由于受主元素在ZnO中固溶度低、受主能級深以及本征施主缺陷高度的自補償效應(yīng)等緣故.p型摻雜的困難限制了ZnO的進一步應(yīng)用.一些研究者通過Ⅰ族和Ⅴ族元素摻雜制備出了p型ZnO薄膜,但是或者載流子偏低,電阻率偏大,或者性能不穩(wěn)定.N由于在ZnO中較淺的受主能級成為ZnO p型摻雜的首選摻雜劑.但是Yamamoto通過計算表明N

3、的摻入會使ZnO薄膜晶體的馬德隆能升高,導(dǎo)致N在ZnO中摻雜濃度低和不穩(wěn)定.理論預(yù)測表明,如果受主和施主按2:1的原子比同時摻入ZnO中會降低馬德隆能量,大幅促進受主在ZnO中摻雜濃度,并且摻雜后的ZnO性能穩(wěn)定. 根據(jù)這一思路,作者利用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù),在N<,2>O-O<,2>混合氣氛中,采用Al-N共摻的方法成功制備.出了p型ZnO薄膜,利用X射線衍射(XRD)、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、透射光譜、Hall測試儀等

4、方法對ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和性能進行了表征,系統(tǒng)研究了靶材中Al含量、襯底溫度、氣氛中N<,2>O分壓比等生長條件,對其性能的影響. 結(jié)果表明,Al-N共摻方法制備的ZnO薄膜表現(xiàn)出優(yōu)良的沿(002)方向的擇優(yōu)取向性,表面較平整,粒度均勻,厚度約270nm.和單獨摻N相比,采用共摻方法能大幅提高p型ZnO的空穴濃度,降低薄膜的電阻率.當靶材中含Al 0.4at﹪,襯底溫度500℃,在純N<,2>O氣氛中制備的p型ZnO薄膜性能最好,