反應(yīng)磁控濺射制備氮化鋅及其摻雜薄膜與器件.pdf

1、在以往的幾十年時(shí)間里，對Ⅲ族氮化物材料進(jìn)行了大量研究，在光照和功率半導(dǎo)體方面研發(fā)出了具有優(yōu)異性能的光電子器件，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)的應(yīng)用。然而，有關(guān)Ⅱ族氮化物的研究相比就少的多，特別是氮化鋅(Zn3N2)。氮化鋅材料的制備并不昂貴，而且不含有任何的有毒成分。它擁有優(yōu)異的電學(xué)性能，比如具有較高的霍爾遷移率和導(dǎo)電性。到目前為止，氮化鋅的光學(xué)禁帶寬度并不確定。可變的光學(xué)禁帶寬度使得氮化鋅在光電器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，對氮化鋅進(jìn)行摻雜可能會(huì)得到期望

2、的光學(xué)禁帶寬度和優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)。在本實(shí)驗(yàn)中，我們采用反應(yīng)射頻磁控濺射的方法制備氮化鋅及其摻雜薄膜及器件，采用脈沖激光沉積方法制備ZnCo2O4作為p型層制備p-n結(jié)，并構(gòu)建了底柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)器件。研究了生長參數(shù)以及Al摻雜對于氮化鋅及其摻雜薄膜的結(jié)構(gòu)、組分、表面形貌、光電等性質(zhì)的影響。
　　本文的研究工作和結(jié)果如下:
　　1.我們使用反應(yīng)射頻磁控濺射的方法，改變生長條件制備了一系列氮化鋅薄膜，襯底均為石英襯底。濺射靶材料為純

3、鋅，N2作為反應(yīng)氣體，Ar作為濺射氣體，生長溫度為200℃，氮?dú)灞?％～100％，反應(yīng)室壓強(qiáng)3Pa～10Pa，濺射功率60W～100W。通過XRD測試發(fā)現(xiàn)，大部分的氮化鋅薄膜均為單一擇優(yōu)取向的多晶薄膜，峰位對應(yīng)于Zn3N2(321)面。反應(yīng)室壓強(qiáng)過大和濺射功率較低時(shí)，濺射粒子的能量較低，降低薄膜質(zhì)量。當(dāng)?shù)獨(dú)灞冗^低時(shí)，反應(yīng)室內(nèi)沒有足夠的氮?dú)夥磻?yīng)生成氮化鋅薄膜，表現(xiàn)為不成膜或者生長的薄膜為非晶薄膜。當(dāng)襯底溫度為200℃、氮?dú)灞?0∶10、反

4、應(yīng)室壓強(qiáng)7Pa、濺射功率70W時(shí)，氮化鋅的結(jié)晶質(zhì)量較好。
　　2.我們使用反應(yīng)射頻磁控濺射的方法在石英襯底上制備了一系列摻Al氮化鋅(ZnN∶Al)薄膜。通過調(diào)整鋁片在靶材上有效濺射面積的比例，得到不同摻雜濃度的薄膜。當(dāng)襯底溫度為200℃，摻雜比例2％～16％，氮?dú)灞?0％～80％，反應(yīng)室壓強(qiáng)3Pa～10Pa，濺射功率50W～100W。XRD結(jié)果顯示生長的薄膜多為單一擇優(yōu)取向的多晶薄膜，峰位對應(yīng)于Zn3N2(321)面。隨著摻雜比

5、例的增加，ZnN∶Al薄膜的光學(xué)禁帶寬度增大，SEM圖像顯示薄膜表面顆粒減小，顆粒間界更加清晰。當(dāng)襯底溫度為200℃、氮?dú)灞?∶14、反應(yīng)室壓強(qiáng)3Pa、濺射功率70W時(shí)，生長的ZnN∶Al薄膜的結(jié)晶質(zhì)量較好。
　　3.采用脈沖激光沉積的方法在石英襯底上制備了ZnCo2O4薄膜作為p型層，利用磁控濺射方法生長ZnN∶Al薄膜作為n型層構(gòu)建p-n器件和底柵結(jié)構(gòu)的場效應(yīng)器件。電學(xué)測試結(jié)果表明p-n器件具有較好的整流特性，在可見光波段內(nèi)的