ZnO薄膜的N相關摻雜及p-ZnO歐姆接觸的研究.pdf

1、ZnO是一種新型的寬禁帶氧化物半導體材料，具有直接帶隙能帶結構，室溫禁帶寬度為3.37cV，對應近紫外光波段。同時，ZnO具有高達60meV的激子束縛能，其激子在室溫下可以穩(wěn)定存在，易于實現(xiàn)室溫或者更高溫度下激子-激子碰撞的受激輻射。因此，ZnO是一種適合用于制作短波長發(fā)光器件，如藍-紫光發(fā)光二極管(LEDs)和激光器(LDs)，的理想材料。ZnO還具有原料豐富、無毒無污染、熱穩(wěn)定性好、抗輻射性強、容易生長外延薄膜、能夠進行濕法刻蝕、擁

2、有完備的帶隙寬度調節(jié)合金體系(ZnMgO和ZnCdO)和體單晶ZnO襯底容易制備等優(yōu)點。此外，ZnO還擁有各種各樣的納米結構，如納米點、納米線、納米管、納米帶、納米環(huán)等。這些ZnO納米結構由于其優(yōu)異的光電性能在納米電子、納米光電子、生物醫(yī)藥、氣敏傳感器等領域有廣泛的應用前景。
　　 要實現(xiàn)ZnO在光電領域的廣泛應用，首先必須獲得性能良好的n型和p型ZnO材料。然而，ZnO是一種極性很強的半導體材料，天然為n型，人們通過摻雜已經(jīng)獲

3、得了各方面性能優(yōu)良的n型ZnO。但是實現(xiàn)高質量的ZnO的p型摻雜卻異常困難，雖然目前已經(jīng)取得了一些進展，但還存在諸多問題，仍然是制約ZnO實際應用的一個重要問題。本文的研究便是以如何獲得性能良好的p型ZnO薄膜為初衷，深入探索p型摻雜機理。另外，要實現(xiàn)ZnO器件的廣泛應用，優(yōu)化器件結構設計和制備具有較低接觸電阻的電極也是非常關鍵的一部分。因此，本文在獲得了p型ZnO薄膜之后，還探索了p型ZnO薄膜的歐姆接觸電極的制備，以及ZnO同質LE

4、Ds器件結構的設計。主要工作包括以下內容：
　　 1.采用磁控濺射法Li-N-H共摻雜技術實現(xiàn)了ZnO薄膜的p型轉變，并研究了實現(xiàn)p型ZnO的溫度窗口和摻雜機理。研究發(fā)現(xiàn)，Li摻雜的主要作用在于促進晶粒生長、穩(wěn)定p型性能；N摻雜的主要作用在于降低p-ZnO的電阻率；H在薄膜生長過程中可以輔助受主摻雜，抑制Lii和LiZn-Lii等缺陷復合體的補償作用、鈍化N受主，提高Li，N受主摻雜的濃度。通過退火可以有效地驅除薄膜中的H雜質，

5、活化受主，獲得良好的p型導電性能。襯底溫度在500～600℃范圍內變化時，在中間溫度區(qū)能夠獲得較好的p型電導。我們采用絕緣襯底在550℃溫度下生長并通過退火處理得到的最優(yōu)p-ZnO其電阻率為25.2Ωcm，Hall遷移率為0.5cm2/(Vs)，空穴濃度為4.92×1017cm-3。
　　 2.采用射頻等離子體輔助金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)法在250℃低溫下生長P型ZnO：N薄膜，并研究了N摻雜源對薄膜性能的影響以及P

6、型性能對射頻發(fā)生器功率的依賴性。研究表明，采用NO作為N摻雜源所生長的ZnO：N薄膜具有更好的結構性能和電學性能。射頻發(fā)生器的功率對N摻雜ZnO薄膜的結晶質量、摻雜狀況均有影響。只有在一個適當?shù)纳漕l功率條件下才能獲得ZnO薄膜結構性能、電學和光學性能的平衡。
　　 3.采用非等離子體輔助MOCVD生長N摻雜P型ZnO薄膜，揭示了在非等離子體輔助的平衡條件下實現(xiàn)ZnO：N薄膜的P型轉變的條件以及所生長的p-ZnO薄膜的性能對襯底溫

7、度的依賴性。研究發(fā)現(xiàn)，生長氣氛中的N/O比例對于實現(xiàn)ZnO：N薄膜的P型轉變非常重要，只有將N/O比例控制在適當?shù)姆秶拍塬@得較好的P型性能。ZnO：N薄膜的結構性能和電學性能對于襯底溫度呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。
　　 4.采用電子束蒸發(fā)法和圓形傳輸線模型(circulartransmissionlinemodel,CTLM)并結合快速熱處理法在P型ZnO薄膜上制備了Ni/Au和Ni/Pt兩種歐姆接觸電極，研究了其形成機理和接觸處的

8、電流輸運機制。研究發(fā)現(xiàn)，采用Ni/Pt電極經(jīng)450℃退火后可獲得的最低接觸電阻率為3.81×10-6Ωcm2。兩種電極與p-ZnO之間形成歐姆接觸的機理均為退火過程帶來薄膜中受主的活化與界面處擴散反應所致。Ni/Pt電極由于在退火過程中會在電極金屬近表面處形成了一層Pt—Ni合金保護層而具有更佳的性能。作者深入研究了Ni/Pt電極與p-ZnO：Li接觸處的界面反應，提出了一個Pt-Ni-Zn/p+-ZnO/p-ZnO理論結構模型描述Ni