Mg-,x-Zn-,1-x-O薄膜的制備、物性及新型光電、存儲器件研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、本論文采用sol—gel法制備了MgxZn1-xO薄膜,研究了薄膜的微觀結構、光學性能和電學性能,以此為基礎,開展了p—NiO/n—MgxZn1-xO異質結的制備及其光電性能研究,探索了MgxZn1-xO薄膜的電阻開關性質,研究了采用異質p—n結調整薄膜電阻開關性質的途徑,為MgxZn1-xO薄膜的存儲器件應用進行了有益的嘗試。主要內容如下: (1)采用sol—gel法制備了Mg摻雜的ZnO(MgxZn1-xO)薄膜,從而實現Z

2、nO禁帶寬度的人工調制—即“能帶工程”,研究了Mg含量的變化對晶體結構和光電性能的影響。Mg摻雜會引起ZnO的c軸晶格常數的畸變,當x≤0.2時,薄膜能夠維持ZnO的六方相纖鋅礦結構。其間,c軸晶格常數符合Vegard定律,其禁帶寬度與x也呈線性關系。MgxZn1-xO薄膜的PL譜表明,少量的Mg摻雜有利于提高薄膜的NBE發(fā)射強度。ITO導電玻璃襯底上MgxZn1-xO薄膜的I—V特性研究表明,由于Mg與Zn電負性的差別及Mg—O鍵的引

3、入,Mg摻雜能夠減少薄膜中的氧空位濃度,從而減少薄膜中的載流子濃度,降低漏電流。 (2)詳細研究了MgxZn1-xO(x=0~0.2)薄膜在Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上的結構特征和晶格振動特性。由于Pt(111)與ZnO(002)兩晶面之間的失配率較小,Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上生長的薄膜具有高度c軸取向。MgxZn1-xO(x<0.2)薄膜Raman譜的E2high振動模由于“合金效應”,出現非對稱性寬化。而

4、纖鋅礦結構MgxZn1-xO(x<0.2)薄膜Raman譜的LO振動模符合MREI模型的理論描述,隨x的增加,LO的Raman頻率線性藍移:ω—LO(x,cm-1)=575.4+128(±3.18)x,這種變化關系也證實了Mg摻雜對Zn—O鍵性能的影響。 (3)通過n—MgxZn1-xO薄膜與p—NiO薄膜的結合,采用sol—gel工藝在ITO玻璃等襯底上制備了相應的透明異質p—n結。利用XPS技術對Si襯底上NiO/ZnO異質

5、結的價帶偏移測試表明,ZnO的價帶及導帶能級均位于NiO的價帶及導帶能級下,兩者之間的價帶和導帶的偏移量分別2.37eV和2.70eV,同時異質結界面形成Ⅱ型的能帶連接結構。NiO/MgxZn1-xO(x=0~0.2)異質結在可見光區(qū)具有較高的光學透過率,且均具有整流效應,這也說明p—n結的形成。同時這種異質p—n結的光電性能可通過n—MgxZn1-xO的“能帶工程”而調節(jié):隨著Mg含量的增加,p—NiO/n—MgxZn1-xO異質結的

6、禁帶寬度展寬,反向擊穿電壓升高,漏電流逐步降低。通過制備Mg成分梯度變化的n型電導層而構筑的p—n異質結,由于空間靜電場的存在,影響載流子的分布和運輸,從而減小了異質結的漏電流及反向飽和電流,且提高了p—n結的反向擊穿電壓。 (4)采用sol—gel法在Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上制備了高Mg含量摻雜的MgxZn1-xO薄膜,這種薄膜具有類尖晶石礦結構。通過電流脈沖的作用,能夠使具有不同相結構的MgxZn1-xO薄膜器件

7、在小于1V的電壓下實現高阻態(tài)和低阻態(tài)之間的重復、穩(wěn)定轉換,表現出較好的單極性電阻開關效應。Pt/MgxZn1-xO/Pt薄膜器件的電阻開關性能具有明顯的Mg含量依賴性。Pt/Mg0.2Zn0.80/Pt薄膜器件的初始化閾值電流脈沖(ID)為30mA,高、低阻態(tài)的電阻比(RH/L)約為25。隨著Mg摻雜量的增加,薄膜器件的開關性質得到優(yōu)化,如Pt/Mg0.8Zn0.2O/Pt的初始化閾值電流脈沖為0.3mA,電阻比RH/L達109量級。這

8、種超高的RH/L有利于提高器件的信噪比。這種成分的依賴性可歸結于高Mg摻雜引起的相結構變化及薄膜載流子濃度的降低。由于Pt/MgxZn1-xO/Pt器件的Reset電壓均小于1V,且開關過程相對比較簡單,便于控制,能夠滿足實際應用要求,在未來高密度存儲器件競爭中頗具潛力。 (5)Pt/MgxZn1-xO/Pt薄膜器件的單極性電阻開關效應可用導電絲模型和空間電荷限制電流模型(SCLC)進行解釋:電流脈沖對器件初始化的過程導致金屬態(tài)

9、導電絲的形成,從而使器件處于低阻態(tài),表現出歐姆電導性質;而導電絲由于微區(qū)焦耳熱效應或氧化導致斷裂,器件呈高阻態(tài),其電導表現為SCLC,由薄膜本身的性質主導。 (6)研究了Pt/TiO2/SiO2/Si襯底上NiO/Mg0.6Zn0.4O異質結的開關特性。由于界面處p—n結的形成,異質結表現出較好的整流特性。與單獨的Pt/NiO/Pt和Pt/Mg0.6Zn0.4O/Pt器件相比,Pt/NiO/Mg0.6Zn0.4O/Pt異質結器件

10、的電阻開關特性得到明顯改善,主要體現在:在保證較高RH/L(107)的同時,開關電壓—VReset分布在0.55~0.62V,減弱了VReset的發(fā)散程度;同時,極大的減小了初始化器件所需的閾值電流脈沖,ID=1μA。異質結開關性能的改善可以歸結于異質結界面缺陷對開關過程及載流子運輸的影響。 以上研究充分表明了MgxZn1-xO薄膜具有非常優(yōu)異的光電性能,在未來的光電器件中具有廣闊的應用空間。同時,基于MgxZn1-xO薄膜器件

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