IA族元素(Li、Na)掺杂的p型Zn1-xMgxO薄膜的制备与性能研究

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ZnO是Ⅱ-Ⅳ族宽禁带半导体材料,室温下直接禁带宽度约3.3eV,激子结合能高达60meV,可以实现室温或更高温度下高效的激子受激发光。目前,ZnO是光电材料领域的研究热点,其p型电导掺杂和能带工程更是研究的重点。将ZnO和MgO形成半导体合金薄膜,在保持六方纤锌矿结构不变的同时,可以通过改变Mg含量调节Zn1-xMgxO合金半导体禁带宽度。Zn1-xMgxO是ZnO首选的势垒层材料,p型Zn1-xMgxO也可以直接用作紫外发光材料,制备短波发光二极管(LEDs)和激光器(LDs)等。本文分别选择Li和Na作为Zn1-xMgxO的p型掺杂元素,采用直流反应磁控溅射方法和脉冲激光沉积技术(PLD),制备p型Zn1-xMgxO薄膜。主要的研究工作如下:1.通过直流反应磁控溅射方法成功制备了高质量的Li掺杂p-Zn1-xMgxO薄膜(x=0.04,0.16),研究衬底温度、退火温度、Li掺杂含量和Mg合金含量对Zn1-xMgxO薄膜结晶质量、电学性能、光学性能的影响。退火处理能够提高薄膜的结晶质量和p型电学性能,550℃下生长的Zn0.96Mg0.04O:Li薄膜经过500℃退火处理后,获得最优的p型导电性,电阻率为72.3Ωcm,空穴浓度达到1.49×1017cm-3,空穴的霍耳迁移率为0.58cm2V-1s-1。此外,提高Mg含量,薄膜的p型电学性能随之降低,但是增大了薄膜的禁带宽度(Eg)。所以,我们不仅利用Li掺杂制备了p型Zn1-xMgxO薄膜,而且成功实现了ZnO薄膜禁带宽度的调制。2.采用脉冲激光沉积技术制备Na掺杂的p-Zn1-xMgxO薄膜(x=0.1,0.2),探讨了衬底温度、生长气压和Mg含量对Zn1-xMgxO薄膜的结晶质量和光电性能的影响。在衬底温度为650℃、氧压为48Pa时,获得的Zn0.8Mg0.2O:Na薄膜具有较好的结晶质量和最优的电学性能,薄膜不仅呈现出稳定的p型导电性,而且电阻率达到最低值,为60.34Ωcm,空穴浓度达到最大1.56×1017cm-3,空穴的霍耳迁移率为0.67cm2V-1s-1。比较ZnO:Na、Zn0.9Mg0.1O:Na与Zn0.8Mg0.2O:Na薄膜的光学性能,发现Mg元素的加入有效地调制了ZnO蹦さ慕矶?随着Mg含量的增加,薄膜带宽增大,同时导致相同受主的能级也越深。最后我们在单晶硅衬底上生长p-Zn0.8Mg0.2O:Na/n-ZnO:Al异质结,其Ⅰ-Ⅴ特性曲线表现出了明显的整流特性,从而进一步证明Na掺杂Zn1-xMgxO薄膜的p型导电类型。
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