等離子體浸沒離子注入方法制備p型ZnO薄膜材料的研究.pdf

1、ZnO在光電子等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景,具有巨大的市場潛力,已經(jīng)成為繼GaN之后光電子領(lǐng)域的又一研究熱點,引起了世界各國科研界和光電產(chǎn)業(yè)界的高度重視。然而,制備可重復(fù)的、穩(wěn)定的、低電阻的、器件級p型ZnO材料是ZnO研究中面臨的主要挑戰(zhàn)。本論文介紹了一種新型的p型ZnO薄膜制備技術(shù)——采用等離子體浸沒離子注入(PIII)與共摻相結(jié)合的技術(shù)制備p型ZnO薄膜。首先通過磁控濺射技術(shù)生長摻Al的n型ZnO薄膜(AZO),將獲得的AZO薄膜置于P

2、III腔體內(nèi)的樣品臺上,腔體抽真空。之后,在腔體中通入含N的工作氣體,使用600W射頻源產(chǎn)生面均勻、大體積感應(yīng)耦合等離子體。等離子體的參數(shù)通過朗繆爾雙探針、多通道光譜儀等設(shè)備來進(jìn)行診斷。樣品臺偏壓源是10kW固態(tài)開關(guān)電路的快上升沿(＜10-6s)高壓脈沖電源,脈寬和頻率可調(diào),可給襯底加載最高達(dá)65kV的負(fù)偏壓。如此高的負(fù)偏壓在注入時可以有效地打斷原有組織結(jié)構(gòu)而重新成鍵,有效的將N融入AZO薄膜中,得到N-Al共摻的znO,加之離子轟擊引

3、起的熱輻射擴(kuò)散作用,粒子的注入深度能達(dá)到幾百納米,且注入成分密度分布可以通過調(diào)節(jié)離子能量即負(fù)偏壓大小來控制。再通過控制退火氣氛、溫度等,進(jìn)一步活化己注入的N元素,改善注入后薄膜的結(jié)晶情況與p型改性情況。使用這種方法,我們得到了呈現(xiàn)出p型特性的ZnO薄膜。
　　我們對使用上述方法制備得到的ZnO薄膜進(jìn)行了電學(xué)、光學(xué)、形貌等各方面的表征,分析了ZnO薄膜的p型改性機(jī)理以及各實驗因素(包括注入氣氛、注入劑量、退火溫度和薄膜中Al含量)對

4、PIII方法實現(xiàn)ZnO薄膜p型改性的影響:
　　(I)ZnO薄膜能否實現(xiàn)p型改性關(guān)鍵是由薄膜中的缺陷決定的,當(dāng)受主雜質(zhì)占主導(dǎo)時,樣品就會呈現(xiàn)出p型導(dǎo)電特性,而反之當(dāng)施主雜質(zhì)占主導(dǎo)時,樣品就會呈現(xiàn)出n型。通過改變注入時的氣體氛圍,我們可以改變注入的N元素在ZnO薄膜中的缺陷形式。由于N0是受主雜質(zhì)而(N2)0是施主雜質(zhì),所以注入氣體等離子體中要提供豐富的N+而非N2+才能使得ZnO薄膜中形成足夠的受主缺陷。在注入氣體為25％NO+7

5、5％O2的混合氣體情況下,等離子體主要離子成分中的N+占多數(shù),N+在注入退火后能占據(jù)氧空位來有效的提供空穴載流子,有助于ZnO薄膜的p型改性。而在其它情況(如純N2,純NO)下,等離子體中具有施主特性的N2+遠(yuǎn)多于N+,因此抑制了ZnO薄膜的p型改性。
　　(ii)在以注入氣體為25％NO+75％O2的混合氣體情況下,我們研究了N+注入劑量對ZnO:(Al,N)薄膜p型改性的影響。過多或過少的注入劑量都無法實現(xiàn)ZnO薄膜的p型改性

6、。N在注入AZO薄膜樣品的過程中,首先是占據(jù)O空位,到達(dá)極限后又會直接替換O分別與Zn和A1成鍵。過少的注入劑量還無法完全補償AZO薄膜中的本征缺陷和施主雜質(zhì)缺陷,而過量的注入劑量則會引入新的缺陷。
　　(iii)退火處理是ZnO薄膜p型改性的重要一環(huán)。只有當(dāng)退火溫度超過一定的閾值時(在本論文實驗中為850℃)時才能出現(xiàn)ZnO薄膜的p型反轉(zhuǎn)。這是因為在退火前,注入的N原子多以問隙形式存在,并不對p型導(dǎo)電作出任何貢獻(xiàn);而當(dāng)達(dá)到一定的