In-N共摻制備p型ZnO與ZnMgO薄膜及其性能的研究.pdf

1、ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料，屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO在光電、壓電、熱電、鐵電等諸多領(lǐng)域都具有優(yōu)異的性能，但是最具潛力的應(yīng)用是在光電器件領(lǐng)域。室溫下ZnO的禁帶寬度寬為3.37 eV，激子結(jié)合能為60 meV，遠(yuǎn)高于其它寬禁帶半導(dǎo)體材料，如GaN為25 meV。ZnO激子在室溫下也是穩(wěn)定的，可以實(shí)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(guò)調(diào)節(jié)Mg含量達(dá)到調(diào)節(jié)ZnMgO合金

2、半導(dǎo)體薄膜禁帶寬度的目的。所以，ZnO在短波長(zhǎng)光電器件領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用潛力。 本征ZnO具有n型導(dǎo)電性能，通過(guò)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本征施主缺陷的自補(bǔ)償效應(yīng)，ZnO的p型摻雜很困難，ZnMgO的p型摻雜也面臨著同樣的問(wèn)題。本文的研究便是基于這一思路，以ZnO和ZnMgO的p型摻雜為中心而展開(kāi)的。本文使用直流反應(yīng)磁控濺射法，采用In-N共摻方法制備了

3、p型ZnO和ZnMgO薄膜。主要的研究工作如下： 1、以N<,2>O作為N摻雜源時(shí)，研究了襯底溫度和N<,2>O氣體流量對(duì)In-N共摻ZnO薄膜的影響。當(dāng)襯底溫度為550℃時(shí)，薄膜具有最優(yōu)的p型電學(xué)性能，其電阻率為35.6Ωcm，遷移率為0.111cm<'2>V<'-1>·S<'-1>，空穴濃度為1.57×10<'18>cm<'-3>；通過(guò)改變N<,2>O氣體流量，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)N<,2>O流量達(dá)到一定比例時(shí)才能實(shí)現(xiàn)p型，且當(dāng)N<,

4、2>O/(O<,2>+N<,2>O)=0.7時(shí)，薄膜p型電學(xué)性能最佳。 2、以NH<,3>作為N摻雜源時(shí)，研究了襯底溫度、氧氣氣體分壓和靶材中的In含量對(duì)In-N共摻ZnO薄膜的影響。當(dāng)襯底溫度為580℃時(shí)，薄膜具有最優(yōu)的p型電學(xué)性能，其載流子濃度為2.54×10<'17>cm<'-3>，電阻率為53.9Ωcm，遷移率為0.456cm<'2>V<'-1>·s<'-1>；通過(guò)改變O<,2>氣體分壓，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧分壓為50％時(shí)，薄膜的電

5、學(xué)性能最佳，其載流子濃度為4.52×10<'17>cm<'-3>，電阻率為40.1Ωcm，遷移率為0.344cm<'2>V<'-1>·s<'-1>；通過(guò)改變靶材中的In含量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)In含量為0.5at.％時(shí)，所得ZnO薄膜的p型性能最優(yōu)。 3、在探討Mg含量對(duì)ZnMgO三元合金薄膜性能的影響時(shí)，研究了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌和禁帶寬度等隨Mg含量的變化關(guān)系，得出薄膜禁帶寬度隨Mg含量增加變化顯著，也同時(shí)證明了Mg的有效摻入。

6、 4、在研究Mg含量對(duì)In-N共摻p型ZnMgO薄膜性能的影響時(shí)，研究了薄膜的結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌和禁帶寬度等隨靶材中Mg含量的變化關(guān)系，得出當(dāng)靶材中Mg含量為5 at.％時(shí)，薄膜的p型電學(xué)性能最好，其載流子濃度為1.16×10<'18>cm<'-3>，電阻率為25.5Ωcm，遷移率為0.211cm<'2>V<'-1>s<'-1>。且薄膜的禁帶寬度隨Mg含量增加變化顯著，也同時(shí)證明了Mg的有效摻入。 5、制作了硅基p-Zn<,