p型ZnO薄膜的制備與研究.pdf

1、ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料,具有直接寬帶隙(室溫下3.37eV),屬于六方纖鋅礦結構。ZnO在光電、壓電、熱電、鐵電以及光電器件等諸多領域都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。
　　 開發(fā)ZnO材料在光電領域的廣泛應用,需要獲得性能良好的n型和p型ZnO薄膜,并制備出透明的ZnO同質p-n結。高質量的n型ZnO薄膜很容易實現(xiàn),但由于ZnO材料在生長過程總存在諸多的本征施主缺陷(如氧空位V0和鋅間隙Zni等),對受主產(chǎn)生高度自補償作用,

2、故ZnO的p型摻雜相對于n型摻雜來說顯得異常的困難。研究表明,單一元素的摻雜很難得到性能良好的p-ZnO薄膜,近年來采用活性施主和受主共摻雜技術由于有可能制備出載流子濃度高、電阻率低以及性能穩(wěn)定的p型ZnO薄膜而引起了人們的廣泛關注。
　　 實驗結果顯示,制備出的p-ZnO薄膜其性能受摻雜元素的類別和制備方法的影響非常明顯。本文采用Al-N共摻的方法成功制備出了p型ZnO薄膜,并對其有關性能進行了研究,主要的研究工作如下:

3、>　　 1、以ZnO和Al為靶,采用磁控共濺射法,制備出了ZnO:Al薄膜:以NO和O2為氣源,通過等離子體浸沒離子注入(PⅢ)技術,實現(xiàn)了不同注入劑量下的N元素的注入,制備出了的ZnO:Al:N薄膜,并對薄膜進行了退火處理,實現(xiàn)了ZnO由n型到p型的轉變。
　　 2、研究了注入劑量對薄膜結構以及電學、光學性能的影響。Hall測試顯示只有在注入劑量為2.23×1015cm-2實現(xiàn)了ZnO的p型轉變。實驗表明,退火溫度850℃、

4、Al含量為面積比0.6％時,制備的p型ZnO薄膜電學性能最好,電阻率可低至8.90Ω·cm,載流子濃度可達1016cm-3量級(2.16×1016cm-3),遷移率為32.4 cm2V-1s-1。通過XRD、PL、XPS、UV對其晶體結構以及光學性能的測試得知,p型ZnO薄膜中的N元素在薄膜中主要是以替位方式占據(jù)O空位與Zn和Al成鍵的。過量的N注入會引起新的施主缺陷,使得p型性質變差甚至重新轉變?yōu)閚型。
　　 1015cm-2

5、量級的注入劑量對于薄膜中N原子替位O原子形成No是較關鍵的參量,可能是實現(xiàn)ZnO:Al:N薄膜p型反轉的關鍵劑量。
　　 3、退火可以分解由于N注入而生成的Zn(N2)3,從而使N以替位占據(jù)O空位的形式存在,有助于ZnO實現(xiàn)p型的轉變,并且隨著退火溫度升高到一定程度電學性能達到最好,繼續(xù)升高退火溫度會使ZnO分解從而產(chǎn)生更多的施主缺陷,薄膜的p型導電性能變差甚至又轉變?yōu)閚型導電。
　　 4、適量的Al摻雜可以與N成鍵進而