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ZnO是一种具有纤锌矿晶体结构的直接宽带隙半导体材料。由于ZnO薄膜在压电、光电、热电、铁电等诸多方面都具有优异的性能,被广泛应用于声表面波器件、体声波器件、气敏元器件、变阻器、透明电极等,成为继GaN之后半导体光电领域的又一研究热点。与GaN相比,ZnO薄膜具有生长温度低,激子复合能高(ZnO:60meV GaN:21~25meV),有可能实现室温下的紫外受激发射,有望制备出性能较好的紫外探测器,发光二极管和激光二极管等光电器件。
然而,要实现ZnO基光电器件的广泛应用,必须首先获得性能良好的n型和p型ZnO材料,进而制备出透明的ZnO同质pn结。就像其他宽禁带半导体材料一样,如BaN、ZnSe,N型掺杂很好实现,而p型掺杂不好实现。原因是多方面的,ZnO薄膜中存在的本征缺陷(Zn<,i> or V<,o>)形成能非常低,可产生高度的自补偿作用,受主元素在ZnO中的溶解度较低,且受主能级均较深,很难形成浅受主能级。这也是p型ZnO研究中面临的主要挑战。但到目前为止,仍然缺乏可靠的、可重复性的p型ZnO薄膜。
本论文在系统总结了国内外p型ZnO薄膜的研究历史、研究现状以及存在的问题的基础上,对Si衬底上以及玻璃衬底上的ZnO薄膜的p型掺杂进行了研究。通过多种测试手段和理论分析,取得了一些阶段性成果:
1.以射频磁控溅射法制备了高质量的N掺杂ZnO薄膜,并研究了衬底温度及气氛分压对薄膜晶体质量、表面形貌与禁带宽度的影响,得出了最优的生长条件。掺杂的ZnO薄膜具有良好的c轴择优取向,在可见光范围内(380-760nm)透射率约为85%。并分析了衬底温度和氧气分压对于薄膜电学性能的影响,发现只在一定温度区间内薄膜呈现为p型。得出最优的生长温度在~600℃,薄膜具有电阻率4.99 Ω cm和空穴浓度2.20E+16 cm<-3>。研究结果表明其整流特性在50-300K较宽温度范围内几乎不依赖于温度发生变化。还研究了退火温度、退火时间以及退火气氛对N掺杂ZnO薄膜电学性能的影响。
2.尝试以射频磁控溅射法制备了Al-N共掺的p型ZnO薄膜。实验发现所得样品同样具有良好的晶体取向性,平整致密的表面形貌,紫外透射谱也证实所得薄膜禁带宽度与氮掺杂的ZnO薄膜相仿。Al-N共掺对ZnO导电性能造成了较大程度地影响,前者的电阻率比后者低。在此温度下生长于玻璃衬底上的p型ZnO具有1.231Ωcm的电阻率和2.48E+18cm<-3>的载流子浓度。