In-N共掺p型ZnO薄膜制备及稳定性研究

摘要

ZnO作为一种新型的宽禁带半导体材料有着诸多光电方面的优异特性，室温下的禁带宽度为3.36eV，激子束缚能高达60meV，远远高于室温热能26meV，也远高于其它半导体材料，所以ZnO在紫外光探测器、太阳能电极、压敏、气敏、表面声波器件、微波及光电器件等领域具有广阔的应用前景。本征ZnO呈现n型导电，若要实现ZnO材料在光电器件方面的广泛应用，稳定可靠的p型ZnO获取是必不可少的。在众多的受主元素掺杂中，N被认为是实现 p型ZnO掺杂的首选元素。目前，许多研究者采用不同的制备工艺和掺杂技术已成功实现了 ZnO的p型转变。其中，施主-受主共掺技术可以降低受主能级提高受主元素在ZnO的固溶度而被认为是一种有效手段。但是，通过施主-受主共掺技术制备的p型ZnO薄膜仍然存在着p型性能不稳定的问题，这也是目前制约ZnO在光电领域大规模应用的瓶颈。
　　为了探索p型ZnO导电性能不稳定的原因，采用分两步对ZnO进行施主和受主的有效共掺杂，这为施主本征缺陷的分阶段研究和有效调控提供了可能。本文利用射频磁控溅射法在石英玻璃上制备了ZnO:In薄膜。通过X射线衍射谱(XRD)、原子力显微镜(AFM)、拉曼散色光谱和霍尔(HALL)等测试手段，深入研究了退火温度对ZnO:In薄膜这一施主单掺体系中本征缺陷、薄膜的表面形态，拉曼光谱及电学性能的影响，发现在ZnO:In薄膜的拉曼光谱中出现274cm-1拉曼峰，分析认为其起源是薄膜中存在一定浓度的Zni。接着对ZnO:In薄膜进行N离子注入得到了In-N共掺ZnO(ZnO:In-N)薄膜，在氮气环境下，对薄膜进行720℃的20min退火实现了ZnO:In-N薄膜的p型导电，但是电学跟踪测试发现其稳定性不足，分析认为主要原因是此时的p型ZnO:In-N薄膜中依然存在着间隙N。为了消除间隙N，提高 p型导电的稳定性，我们提出了二次退火处理的方法。即在一次退火实现薄膜p型导电后，在真空环境下对ZnO:In-N薄膜进行600℃10min中的二次退火。通过对二次退火后薄膜的电学性能跟踪测试，发现薄膜的p型稳定性得到了良好的改善。

目录

1 研究背景及意义

1.1引言

1.2 ZnO薄膜的基本性质

1.3 ZnO的结构形态

1.4 ZnO薄膜的性能

1.5 ZnO薄膜的本征缺陷

1.6 p型ZnO薄膜的研究进展

1.7 p型ZnO薄膜稳定性的研究进展

1.8 ZnO薄膜的应用

1.9 本文的立题依据、研究内容及创新点

2 实验原理、实验过程及表征手段

2.1 实验原理

2.2 实验过程

2.3 小结

2.4 薄膜的性能测试手段

2.5 小结

3 退火温度对ZnO:In薄膜特性的影响

3.1光学性质

3.2 结构性质

3.3 电学性质

3.4 第一性原理计算

3.5 本章小结

4 In-N共掺p型ZnO薄膜稳定性研究

4.1 HALL跟踪测试

4.2 吸收光谱

4.3 结构性质

4.4 小结

5 总结和展望

一、本文主要结论如下：

二、后续展望

参考文献

附录A

致谢

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