直流反應磁控濺射法制備p型ZnMgO薄膜.pdf

1、ZnO是一種II-VI族寬禁帶化合物半導體材料,屬于六方纖鋅礦結構.ZnO在光電、壓電、熱電、鐵電等諸多領域都具有優(yōu)異的性能,但是最具潛力的應用是在光電器件領域.ZnO的禁帶寬度寬,室溫下為3.37 eV,激子結合能為60 meV,遠高于其它寬禁帶半導體材料,如GaN為25.meV.ZnO激子在室溫下也是穩(wěn)定的,可以實現(xiàn)室溫或更高溫度下高效的激子受激發(fā)光.此外,將ZnO與MgO形成ZnMgO合金薄膜,可以通過調節(jié)Mg含量達到調節(jié)ZnMg

2、O合金半導體薄膜禁帶寬度的目的.所以,ZnO在短波長光電器件領域有著極大的應用潛力,如藍紫光發(fā)光二極管(LED)和激光器(LD)等,可作為白光的起始材料. 本征ZnO具有n型導電性能,通過摻入Al、Ga等施主元素,可以得到性能優(yōu)異的n型ZnO,但是由于受主元素在ZnO中的固溶度低以及ZnO本征施主缺陷的白補償效應,ZnO的p型摻雜很困難, ZnMgO的p型摻雜將面臨同樣的問題,本文把過去Al-N共摻ZnO的方法應用到ZnMgO薄

3、膜中,制備了穩(wěn)定的n型ZnMgO薄膜,并對薄膜的性能進行分析,得出生長ZnMgO薄膜的最優(yōu)生長參數(shù),為制備ZnO基光電器件奠定基礎. 以下是本文的研究內容: 采用直流反應磁控濺射設備,通過A1-N共摻方法制備了p型ZnMgO三元合金薄膜.主要研究襯底溫度,N<,2>O流量比例,襯底類型對ZnMgO薄膜的結晶性能,表面形貌和電學性能的影響,其中以電學性能的研究為主.結果發(fā)現(xiàn),襯底溫度在400-530℃溫度區(qū)間內呈現(xiàn)為p型,

4、在530℃時,薄膜具有最優(yōu)的電學性能,電阻率為58.5Ωcm,空穴濃度1.95×10<'17>cm<'-3>;而對于相同溫度條件下生長ZnMgO薄膜,當N<,2>O/(O<,2>+N<,2>O)>≥0.4時,薄膜的導電類型為p型,其中,N<,2>O/(O<,2>+N<,2>O)=0.7時,薄膜結晶性能和擇優(yōu)取向性最好,且電阻率在此時達到最小值;薄膜在三種不同襯底上的結晶性能從優(yōu)到劣的順序為:硅片>石英>玻璃,電學性能測試結果表明硅片本身

5、導電性能會影響測試結果. 通過與單摻N的薄膜電學性能的比較,發(fā)現(xiàn)Al的摻入促進了N的摻入,提高了薄膜中的空穴濃度.p型和n型ZnMgO薄膜的XPS分析,驗證了Al的摻入,與N形成Al-2N復合體的理論,并發(fā)現(xiàn)N在ZnMgO薄膜中存在兩種化學環(huán)境,分別對應N<,o>和(N<,2>)<,o>,薄膜的導電類型與這兩種化學環(huán)境中N的相對濃度的高低有很大的關系,表現(xiàn)為當N<,o>占優(yōu)勢時,薄膜呈現(xiàn)p型導電性能,當(N<,2>)<,o>占優(yōu)