ZnO薄膜的N相關(guān)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(dǎo)體材料，具有直接帶隙能帶結(jié)構(gòu)，室溫禁帶寬度為3.37cV，對(duì)應(yīng)近紫外光波段。同時(shí)，ZnO具有高達(dá)60meV的激子束縛能，其激子在室溫下可以穩(wěn)定存在，易于實(shí)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(zhǎng)發(fā)光器件，如藍(lán)-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(qiáng)、容易生長(zhǎng)外延薄膜、能夠進(jìn)行濕法刻蝕、擁

2、有完備的帶隙寬度調(diào)節(jié)合金體系(ZnMgO和ZnCdO)和體單晶ZnO襯底容易制備等優(yōu)點(diǎn)。此外，ZnO還擁有各種各樣的納米結(jié)構(gòu)，如納米點(diǎn)、納米線、納米管、納米帶、納米環(huán)等。這些ZnO納米結(jié)構(gòu)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(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 要實(shí)現(xiàn)ZnO在光電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(qiáng)的半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)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(jìn)展，但還存在諸多問題，仍然是制約ZnO實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)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(jī)理。另外，要實(shí)現(xiàn)ZnO器件的廣泛應(yīng)用，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備具有較低接觸電阻的電極也是非常關(guān)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(zhì)LE

4、Ds器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。主要工作包括以下內(nèi)容：
　　 1.采用磁控濺射法Li-N-H共摻雜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了ZnO薄膜的p型轉(zhuǎn)變，并研究了實(shí)現(xiàn)p型ZnO的溫度窗口和摻雜機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，Li摻雜的主要作用在于促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)、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(zhǎng)過程中可以輔助受主摻雜，抑制Lii和LiZn-Lii等缺陷復(fù)合體的補(bǔ)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(qū)除薄膜中的H雜質(zhì)，

5、活化受主，獲得良好的p型導(dǎo)電性能。襯底溫度在500～600℃范圍內(nèi)變化時(shí)，在中間溫度區(qū)能夠獲得較好的p型電導(dǎo)。我們采用絕緣襯底在550℃溫度下生長(zhǎng)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(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法在250℃低溫下生長(zhǎng)P型ZnO：N薄膜，并研究了N摻雜源對(duì)薄膜性能的影響以及P

6、型性能對(duì)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(zhǎng)的ZnO：N薄膜具有更好的結(jié)構(gòu)性能和電學(xué)性能。射頻發(fā)生器的功率對(duì)N摻雜ZnO薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、摻雜狀況均有影響。只有在一個(gè)適當(dāng)?shù)纳漕l功率條件下才能獲得ZnO薄膜結(jié)構(gòu)性能、電學(xué)和光學(xué)性能的平衡。
　　 3.采用非等離子體輔助MOCVD生長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)ZnO：N薄膜的P型轉(zhuǎn)變的條件以及所生長(zhǎng)的p-ZnO薄膜的性能對(duì)襯底溫

7、度的依賴性。研究發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)氣氛中的N/O比例對(duì)于實(shí)現(xiàn)ZnO：N薄膜的P型轉(zhuǎn)變非常重要，只有將N/O比例控制在適當(dāng)?shù)姆秶拍塬@得較好的P型性能。ZnO：N薄膜的結(jié)構(gòu)性能和電學(xué)性能對(duì)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(jié)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(jī)理和接觸處的

8、電流輸運(yùn)機(jī)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(jī)理均為退火過程帶來薄膜中受主的活化與界面處擴(kuò)散反應(yīng)所致。Ni/Pt電極由于在退火過程中會(huì)在電極金屬近表面處形成了一層Pt—Ni合金保護(hù)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(yīng)，提出了一個(gè)Pt-Ni-Zn/p+-ZnO/p-ZnO理論結(jié)構(gòu)模型描述Ni