脈沖激光沉積制備ZnO薄膜的研究.pdf

1、ZnO是一種寬禁帶(300K時,禁帶寬度約為3.37eV)化合物半導(dǎo)體材料,具有很大的激子束縛能(60mV),理論上可以實(shí)現(xiàn)室溫下藍(lán)紫光和紫外光受激發(fā)射。這樣獨(dú)特的性能使得ZnO在藍(lán)光LED,激光器以及相關(guān)半導(dǎo)體器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而ZnO基半導(dǎo)體器件實(shí)用化的主要障礙是低阻p型ZnO的可重復(fù)性制備,因此對p型ZnO薄膜制備方法及機(jī)理的研究具有重要意義。本論文中,采用脈沖激光沉積(PulsedLaserDeposition,PL

2、D)技術(shù),制備了多種ZnO薄膜,并采用摻雜或離子注入等技術(shù)試圖使ZnO薄膜樣品成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體。我們研究發(fā)現(xiàn)在特定的工藝條件下,通過P2O5摻雜ZnO靶材制備的磷摻雜ZnO薄膜和使用等離子體浸沒注入(PlasmaIonImmersionImLplantation,PIII)技術(shù)注氮制備的氮摻雜ZnO薄膜可成為p型半導(dǎo)體。實(shí)驗中使用了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM),X射線衍射儀(X-rayDif

3、feraction,XRD),二次離子質(zhì)譜儀(SecondaryIonMassSpectra,SIMS),光電子能譜(X-rayPhotonSpectrascope,XPS)和霍爾效應(yīng)測試儀等方法對薄膜的結(jié)構(gòu)、組分和電學(xué)性能進(jìn)行了表征,比較系統(tǒng)地研究了ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)、性能與實(shí)驗參數(shù)之間的關(guān)系,結(jié)果如下:1.Si襯底和靶材純度對ZnO薄膜的影響:使用不同純度的ZnO靶材(化學(xué)純99.5％和分析純99.99％),在p型Si(100)襯底上

4、制備得到的ZnO薄膜樣品均展現(xiàn)較低的電阻率和極大的霍爾遷移率;其中使用化學(xué)純的靶材制備得到的樣品呈n型,分析純的靶材制備得到的樣品呈p型。研究結(jié)果表明,兩種樣品均展現(xiàn)出較低電阻率和極大霍爾遷移率是因為Si襯底的電學(xué)性能貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位;而使用化學(xué)純靶材得到n型樣品的原因可能是雜質(zhì)元素硫擴(kuò)散進(jìn)入了Si襯底,產(chǎn)生Ssi施主缺陷所致。2.磷摻雜的ZnO薄膜:實(shí)驗發(fā)現(xiàn)在適宜的摻雜濃度、退火溫度和退火時間條件下,能夠得到電阻率低至2.63Ohm-c

5、m,載流子濃度達(dá)到1017/cm3的p型ZnO薄膜。XPS結(jié)果表明在磷摻雜的ZnO薄膜中,同時存在受主缺陷Po和施主PZn。只有通過嚴(yán)格控制實(shí)驗條件,使得受主缺陷Po產(chǎn)生的空穴濃度大于施主缺陷PZn和本征缺陷帶來的電子濃度,才能制備得到p型ZnO薄膜。
　　 3.氮注入的ZnO薄膜:實(shí)驗發(fā)現(xiàn)在適宜的離子注入和退火條件下,可以得到p型ZnO薄膜。我們已得到的最佳p型ZnO薄膜的電阻率為873Ohm.cm,載流子濃度為1.3*101