In-N共摻雜制備p-ZnO薄膜及ZnO其它相關(guān)摻雜研究.pdf

1、ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料,屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),(002)晶面的表面自由能最低,因而ZnO通常具有(002)取向性生長(zhǎng).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,在低維納米領(lǐng)域也表現(xiàn)優(yōu)異,擁有各式各樣的納米結(jié)構(gòu).作為一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體材料,ZnO最具潛力的應(yīng)用是在光電器件領(lǐng)域.ZnO的禁帶寬度為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

2、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.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,如紫藍(lán)光發(fā)光二極管(LEDs)和激光器(LDs)等,可作為白光的起始材料.ZnO要實(shí)現(xiàn)在光電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,首先必須獲得性能良好的n型和p型ZnO材料,并實(shí)現(xiàn)透明的ZnO同質(zhì)p-n結(jié).高質(zhì)量的n型.ZnO很容易實(shí)現(xiàn),但是ZnO的p型摻雜由于其固有的極性卻非常困難,這是目前制約ZnO實(shí)際應(yīng)用的瓶頸,也是ZnO研究中面臨的主要挑戰(zhàn).這

3、一課題也正是本文研究的重點(diǎn)和核心,本文的研究便是以ZnO的p型摻雜為中心而展開的. 1 實(shí)現(xiàn)了ln-N共摻p-ZnO,制備了ZnO同質(zhì)p-n結(jié),對(duì)In-N共摻實(shí)現(xiàn)p-ZnO的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)而深入的分析 本文用直流反應(yīng)磁控濺射制備了In-N共摻p-ZnO.SIMS測(cè)試表明In、N都已經(jīng)摻入薄膜,In的摻入促進(jìn)了N在薄膜中的摻雜量.我們制備的薄膜在室溫下顯示出良好的結(jié)晶質(zhì)量和p型表現(xiàn).通過選用不同的襯底,得到可靠的最優(yōu)室溫

4、下的p型表現(xiàn)是在SiO<,2>/n-Si襯底上,電阻率為3.12 Ωcm,載流子濃度為2.04× 10<'18> cm<'-3>,遷移率為0.979 cm<'2>V<'-1>In-N共摻法制備p-ZnO是穩(wěn)定和可重復(fù)性兼?zhèn)涞? 研究了In含量對(duì)共摻ZnO薄膜電學(xué)性能的影響.霍爾測(cè)試結(jié)果顯示雜質(zhì)離子散射是影響載流子遷移率的主要機(jī)制,它很好的解釋了隨著In含量的增加,遷移率逐漸減少的電學(xué)輸運(yùn)機(jī)制.XPS結(jié)果顯示正是In的出現(xiàn),通過形

5、成In-N鍵和Zn-N鍵而促進(jìn)了N摻入.改變In含量時(shí),所得的最優(yōu)p-ZnO其電阻率為16.1Ωcm,Hall遷移率為 1.13 cm<'2>/Vs,載流子濃度為3.42×10<'17>cm<'-3>,對(duì)應(yīng)薄膜中的In含量為0.14 at.﹪,此時(shí)共摻ZnO薄膜的(002)衍射峰位和本征ZnO最為接近.在襯底溫度從490℃到580℃之間,用In-N共摻方法實(shí)現(xiàn)ZnO的p型導(dǎo)電.在低溫區(qū)域共摻ZnO薄膜顯示出很高的電阻率,載流子導(dǎo)電類型不

6、確定,沒有明確的p型導(dǎo)電型號(hào);在中間溫度區(qū)能夠獲得p型電導(dǎo);在高溫區(qū)域載流子導(dǎo)電由p型轉(zhuǎn)換為n型.所制備的最優(yōu)p-ZnO其電阻率為23.7 Ωcm,Hall遷移率為0.752 cm<'2>/Vs,載流子濃度為3.51×10<'17>cm<'-3>.我們提出復(fù)合體模型,用來(lái)解釋導(dǎo)電類型隨襯底溫度的變化規(guī)律.通過兩步法引入緩沖層,提高了共摻ZnO薄膜的性能.所得的最優(yōu)的In-N共摻p-ZnO薄膜的可靠電阻率為 7.85 Qcm,Hall遷移

7、率為 1.47 cm<'2>/Vs,載流子濃度為5.40×10<'17>cm<'-3>.以此為基礎(chǔ),制備了p-ZnO∶(In,N)/n-ZnO∶In同質(zhì)p-n結(jié),該結(jié)在Ⅰ-Ⅴ測(cè)試中顯示出明顯而良好的電流整流特性.In-N共摻ZnO薄膜的的導(dǎo)電性可以通過調(diào)節(jié)襯底溫度來(lái)控制,也可以通過引入緩沖層來(lái)提高相關(guān)性能,對(duì)于ZnO基光電器件有重要意義. 2.研究了ZnO其它相關(guān)摻雜 我們采用直流反應(yīng)磁控濺射,制備了ZnO∶Li薄膜.

8、研究了玻璃襯底上生長(zhǎng)的ZnO∶Li薄膜的電學(xué)性能、晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能在不同退火溫度下的表現(xiàn).在所有顯示p型導(dǎo)電性的樣品中,當(dāng)退火溫度為500℃時(shí),所得的最優(yōu)p-ZnO其電阻率為57Qcm,Hall遷移率為1.03 cm<'2>/Vs,載流子濃度為1.07×10<'17>cm<'-3>.最佳退火溫度確定在于所得薄膜的(002)衍射峰位為34.43°,這個(gè)值和粉末ZnO的2θ值是一致,這會(huì)為L(zhǎng)i的摻入構(gòu)建一個(gè)合適的環(huán)境,使Li<,Zn>受主

9、在晶格中穩(wěn)定下來(lái),從而獲得良好的p型導(dǎo)電性能.隨著退火溫度的進(jìn)一步增加,載流子導(dǎo)電類型由p型轉(zhuǎn)換為n型,并且隨著溫度的升高,n型導(dǎo)電信號(hào)逐漸增強(qiáng).可能是由于Li受主的再蒸發(fā),更好的結(jié)晶質(zhì)量和加劇薄膜中補(bǔ)償施主(如Vo)的生成,因?yàn)橥嘶鹪贏r氣氛下進(jìn)行的.對(duì)最優(yōu)p型表現(xiàn)的樣品進(jìn)行變溫PL測(cè)試,擬合得到兩個(gè)位于～140 meV和～260 meV的受主能級(jí).我們把位于～140 meV的能級(jí)認(rèn)為是Li<,Zn>受主能級(jí).我們利用直流反應(yīng)磁控濺射

10、,在不同的Ar/O<,2>比下在玻璃和Si(111)襯底上都長(zhǎng)出了c軸高度擇優(yōu)取向,結(jié)晶質(zhì)量良好的 Cd<,x>Zn<,1-x>O (x=0.1,0.2)薄膜.研究了Ar/O<,2>比對(duì)Cd<,x>Zn<,1-x>O薄膜晶體質(zhì)量和帶隙的影響.當(dāng)Ar/O<,2>比從1∶4到1∶1 間連續(xù)變化時(shí),生長(zhǎng)在玻璃襯底上的Cd<,0.1>Zn<,0.9>O薄膜的半高寬(FWHM)逐漸減少(從0.36°),在Ar/O<,2>比值為1:1取得最小值0.

11、29°;薄膜的帶隙E<,g>逐漸減少(從3.149 eV),在Ar/O<,2>比值為1:1取得最小值3.099 eV.當(dāng)Ar/O<,2>比繼續(xù)增加到2:1時(shí),半高寬則增加到0.35°;帶隙E<,g>則增加到3.114 eV.Cd<,0.2>Zn<,0.8>O薄膜半高寬(FWttM)和帶隙E<,g>的變化趨勢(shì)和Cd<,0.1>Zn<,0.9>O薄膜是一樣的.并提出了Ar/O<,2>比對(duì)Cd<,x>Zn<,1-x>O薄膜帶隙影響機(jī)制的合理解