ZnO薄膜及其摻雜的物理性質(zhì)研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是一種寬帶隙(室溫下3.37eV)Ⅱ—Ⅵ族化合物半導(dǎo)體，具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)特性，在透明導(dǎo)電薄膜、表面聲波器件、氣體傳感器和光電器件等方面有著廣泛的應(yīng)用。尤其是高質(zhì)量ZnO薄膜的室溫紫外受激發(fā)射的實(shí)現(xiàn)，使其成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。和目前最成功的寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN相比，ZnO具有很多優(yōu)點(diǎn)。ZnO薄膜的生長(zhǎng)溫度一般低于700℃，比GaN(生長(zhǎng)溫度1050℃)要低得多；ZnO薄膜在室溫下光致發(fā)光和受激輻射有較低的閾值功率和很高

2、的能量轉(zhuǎn)換效率；ZnO有較高的激子復(fù)合能(60meV)，理論上有可能實(shí)現(xiàn)室溫下較強(qiáng)的紫外受激發(fā)射，制備出較好性能的探測(cè)器、LEDs和LDs等光電子器件。 目前，國(guó)內(nèi)外尚未有關(guān)Na—Co摻雜ZnO薄膜的報(bào)道。我們采用脈沖激光沉積技術(shù)，在Si(111)、Si(100)及SiO2襯底上成功制備出Na—Co摻雜的ZnO薄膜。利用XRD和AFM分析手段對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了表征，利用熒光光譜儀和橢偏振光譜儀分別測(cè)量了薄膜的室溫PL譜

3、和不同波長(zhǎng)下薄膜的折射率、消光系數(shù)，用四探針法測(cè)量了薄膜的電阻率。討論了各種襯底、摻雜濃度、襯底溫度及靶材等條件對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的影響。具體研究?jī)?nèi)容和主要結(jié)果如下： 1．用溶膠凝膠法成功制備了高質(zhì)量Na—Co共摻的ZnO陶瓷靶，并用傳統(tǒng)的方法制備了Na—Co共摻的ZnO粉末靶。 2．通過PLD法在Si(111)襯底上成功制備出不同Na—Co摻雜濃度的ZnO薄膜，XRD結(jié)果表明Na、Co成功地?fù)饺氲搅薢nO中，室

4、溫PL譜分析發(fā)現(xiàn)Na、Co摻雜量均為10％時(shí)，薄膜的紫外發(fā)射峰值最強(qiáng)，電阻率測(cè)量結(jié)果表明Na、Co摻雜濃度分別為5％和10％時(shí)，薄膜的電阻率最低，達(dá)到了8.34×10-1Ω·cm。 3．通過XRD、AFM、室溫PL譜及電阻率的測(cè)量分析了襯底溫度對(duì)摻雜薄膜生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)600℃在各種襯底上均能制備出結(jié)晶較好、表面均勻、紫外發(fā)射最強(qiáng)、導(dǎo)電機(jī)制最好的薄膜。 4．在Si(111)、Si(100)及SiO2襯底上制備了c軸取向的

5、Na—Co摻雜的ZnO薄膜，經(jīng)XRD、AFM、室溫PL譜及電阻率分析得出Si(111)襯底是較好的生長(zhǎng)襯底材料。 5．用陶瓷靶與粉末靶對(duì)比生長(zhǎng)Na—Co摻雜的ZnO薄膜，發(fā)現(xiàn)最佳生長(zhǎng)溫度均為600℃，但XRD、室溫PL譜及電阻率測(cè)量結(jié)果表明，陶瓷靶制備的薄膜結(jié)構(gòu)及光學(xué)、電學(xué)性能較優(yōu)，說(shuō)明粉末靶的成膜質(zhì)量較低。 6．通過分析靶材及生長(zhǎng)溫度對(duì)薄膜折射率及消光系數(shù)的影響。發(fā)現(xiàn)利用陶瓷靶材在600℃下制備的摻雜ZnO薄膜結(jié)晶較高