溶膠凝膠法制備ZnO基薄膜及離子注入研究.pdf

1、ZnO具有較大的禁帶寬度(3.3eV)和較高的激子束縛能(60meV)，與傳統(tǒng)的寬帶半導(dǎo)體材料GaN、ZnSe和SiC等相比，ZnO有許多優(yōu)異特性，這使得ZnO在短波長(zhǎng)發(fā)光二極管、激光器、探測(cè)器和太陽(yáng)能電池等方面展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。要使ZnO在光電器件領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵的問(wèn)題是制備出性能穩(wěn)定優(yōu)良的p型ZnO。在p型ZnO的摻雜中，N被認(rèn)為是最好的受主摻雜物。但是，N在ZnO中的固溶度比較低，而且形成的受主能級(jí)也比較深，因此難以實(shí)現(xiàn)

2、有效的摻雜。Ⅲ-V族和Ⅱ-V族共摻雜理論就是為解決這些問(wèn)題而提出的，并且Ⅲ-v族共摻雜理論已在ZnO的p型摻雜方面取得了可喜的研究成果。 基于如上共摻雜的理論，本文嘗試采用溶膠凝膠方法先制備出ZnO:Al和ZnO:Mg薄膜，使Al和Mg均勻摻雜在ZnO中，然后采用半導(dǎo)體技術(shù)中廣泛采用的離子注入技術(shù)將高劑量N受主雜質(zhì)摻雜到ZnO:Al和ZnO:Mg中，從而實(shí)現(xiàn)共摻雜的目的?；谶@個(gè)研究構(gòu)思，做了如下主要研究： 1．詳細(xì)研究

3、了Al摻雜濃度和退火溫度對(duì)ZnO薄膜結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的影響。研究結(jié)果顯示，隨著Al摻雜濃度(Al/Zn≤-1％)的提高，ZnO:Al薄膜的(002)衍射峰強(qiáng)度和近紫外激子發(fā)光(NBE)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，與缺陷相關(guān)的發(fā)光(DLE)強(qiáng)度不斷減弱；基于Kramers-Kronig色散關(guān)系的計(jì)算表明，隨著摻雜Al濃度的提高，ZnO:Al薄膜的吸收系數(shù)、折射率等不斷減小。隨著退火溫度的提高(600-950℃)，ZnO:Al薄膜可見(jiàn)光區(qū)的折射率、吸

4、收系數(shù)等逐漸增大，在紫外區(qū)卻隨著退火溫度的提高而減小。另外也發(fā)現(xiàn)，在750℃以下退火時(shí)，ZnO:Al薄膜吸收邊會(huì)隨著退火溫度的提高發(fā)生藍(lán)移；在750℃以上退火時(shí)，薄膜吸收邊隨著退火溫度的提高發(fā)生紅移。ZnO:Al薄膜的光吸收在可見(jiàn)光區(qū)隨著退火溫度的提高逐漸增大，在紫外區(qū)隨著退火溫度的提高而減小。ZnO:Al薄膜的紫外峰強(qiáng)度隨著退火溫度的提高逐漸增強(qiáng)，而缺陷峰強(qiáng)度逐漸減弱。 2．詳細(xì)研究了Zn和Ge離子注入及退火溫度對(duì)ZnO薄膜結(jié)

5、構(gòu)、光吸收和光致發(fā)光的影響。研究結(jié)果顯示，Zn、Ge離子注入后，ZnO薄膜的衍射峰強(qiáng)度和熒光強(qiáng)度都顯著降低，而可見(jiàn)光區(qū)的光吸收顯著增強(qiáng)。退火溫度對(duì)離子注入后的ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)有顯著影響，隨著退火溫度的提高，薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)得到恢復(fù)。Zn離子注入后的退火結(jié)果顯示，ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)在700℃退火后基本恢復(fù)到了離子注入前的狀態(tài)，光致發(fā)光強(qiáng)度在600℃退火后基本恢復(fù)。Ge離子注入后的退火結(jié)果顯示，ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)在600℃退火后基

6、本恢復(fù)到離子注入前的狀態(tài)，光致發(fā)光強(qiáng)度在800℃退火后基本恢復(fù)到離子注入前的狀態(tài)。 3．詳細(xì)研究了N離子注入及退火溫度對(duì)ZnO:Al和ZnO:Mg薄膜結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的影響。在共摻雜制備p型ZnO中，Al的摻雜含量對(duì)p型的轉(zhuǎn)變很重要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，只有Al/Zn=1％的樣品出現(xiàn)了明顯的p型轉(zhuǎn)變，樣品在600℃退火30min后，Hall測(cè)試結(jié)果顯示載流子濃度為1.6×1018cm-3，空穴遷移率為3.76cm2/V·s。離子注入后的退