In-N共掺p型ZnO薄膜的制备及缺陷研究

摘要

氧化锌（ZnO）作为一种Ⅱ-Ⅵ族直接宽禁带(3.37 eV)半导体材料，室温下其激子束缚能高达60 meV，约为GaN（25 meV）的两倍，具有优良的光电特性；而且氧化锌还具有原材料丰富、无毒等优点。因此，ZnO 在发光二极管、气敏元件、紫外探测器等短波长光电器件以及透明电极等领域具有广泛的应用前景。为了实现ZnO的器件化，首先需要解决的是ZnO的p型导电问题。为获得p型ZnO，常采用施主元素Al、Ga、In与受主元素共掺杂，其中由于In3+半径与Zn2+半径最接近，In的电负性最大，因此In掺杂引起的ZnO晶格畸变更小，且更易于以替代位的形式存在于晶格中。目前，In掺杂ZnO（ZnO:In）薄膜能够通过多种途径获得，In 含量的不同也将对后续掺杂实现 p 型导电有一定影响，有必要系统、深入地研究不同In含量的ZnO:In薄膜的相关特性。为了更深入探讨ZnO的p型导电机理，使解决p型导电不稳定成为可能，本文基于施主-受主共掺杂理论，以N和In共掺杂ZnO薄膜作为研究对象，研究了不同退火温度对In-N共掺ZnO薄膜[ZnO:(In，N)]结构和光学学等特性的影响，并探讨了其p型转变机理与薄膜内本征缺陷的关系。通过研究得出以下结果： 1. 采用射频磁控溅射技术制备了不同In含量的ZnO:In薄膜，薄膜均表现为n型导电，导电性能受In掺杂浓度的影响较大。发现在本文In含量范围内，随着In掺杂浓度增加，薄膜的电学性能和禁带宽度均有变化； 2. 通过对薄膜拉曼和光致发光谱的研究发现，不同In含量ZnO:In薄膜内本征缺陷含量也不同，经过系统分析发现In含量为1.5 at.%的ZnO:In薄膜内具有较少的VO和Zni缺陷。 3. 采用射频磁控溅射和离子注入技术，在石英玻璃衬底上制备了 In-N 共掺ZnO薄膜。通过优化退火工艺，可重复实现空穴浓度约为1016 cm-3的p型ZnO:(In，N)薄膜，并观察到薄膜随退火产生电学转变现象。 4. 利用 X 射线衍射(XRD)，X 射线光电子能谱(XPS)，拉曼光谱(Raman)和光致发光谱(PL)等测试手段，研究了ZnO:(In，N)薄膜内掺杂杂质和本征缺陷对薄膜结构和p型导电的影响。

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