溶胶—凝胶法制备Si基ZnO薄膜的微结构和光电性能研究

摘要

本文以p型(100)Si片为衬底，用溶胶-凝胶(Sol-gel)法制备了ZnO薄膜，并在n-ZnO和p-Si的接触面间形成了n-ZnO/p-Si异质结。采用Ag浆烧制电极，以达到良好的欧姆接触。探索Si片的清洗方法以及不同制备工艺对ZnO薄膜成膜质量的影响；研究了ZnO薄膜的光电特性以及经不同温度退火和分别对其用Na、K和Mg掺杂后薄膜微结构的变化。得到如下实验结果：
　　 (1)SEM结果显示，用溶胶-凝胶(Sol-gel)法制备的ZnO薄膜表面较均匀，薄膜生长质量较好。
　　 (2)不同退火温度和时间对ZnO薄膜的C轴择优取向性和晶粒大小有较大的影响：随着退火温度的升高，ZnO晶粒的C轴择优取向性增强，晶粒尺寸增大。
　　 (3)对Na掺杂ZnO薄膜的X射线衍射研究表明，掺Na的ZnO薄膜的晶粒小于未掺杂的；随着掺Na浓度的增加，ZnO薄膜的C轴择优取向性增强。正电子寿命谱和多普勒展宽谱的实验表明，掺Na的ZnO薄膜缺陷的开空间比未掺杂的大。
　　 (4)对K掺杂ZnO薄膜的X射线衍射研究表明，当K含量达到2.0at%时，出现了新相。掺K的ZnO薄膜的晶粒均小于未掺杂的；当K含量为2.0at%时，ZnO薄膜的晶粒尺寸最小；而当K含量达到7.4at%时，ZnO薄膜的晶粒尺寸较大。K含量为3.7at%的ZnO薄膜的晶粒C轴择优取向性最差，K含量为7.4at%的ZnO薄膜的晶粒C轴择优取向性最好。正电子寿命谱和多普勒展宽测试表明，掺K的ZnO薄膜缺陷的开空间比未掺杂的大。
　　 (5)对Mg掺杂ZnO薄膜的X射线衍射研究表明，当Mg含量为1.0at%时，ZnO薄膜的晶粒尺寸最小；当Mg含量为2.0at%时，ZnO薄膜的晶粒尺寸最大。掺Mg的ZnO薄膜的C轴择优取向性比未掺杂的差。正电子寿命谱和多普勒展宽测试表明，掺Mg的ZnO薄膜缺陷的开空间比未掺杂的大。
　　 (6)ZnO薄膜的光致发光谱(PL)不仅有384.2nm的紫外波峰(FWHM=20.3nm)，而且有649.2nm的红光波峰(FWHM=214nm)，两峰相对高度比为0.934。
　　 (7)用波长为632.8nm的氦氖激光照射P型Si(100)基片上生长的ZnO薄膜，产生了明显的光伏效应。在无光照，分别在相同光强的白炽灯和氦氖激光的照射下，n-ZnO/p-Si异质结的Ⅰ-Ⅴ特性曲线表现出良好的二极管特性和光伏特性。
　　 (8)随着ZnO薄膜厚度的增加，n-ZnO/p-Si异质结的二极管特性和光伏特性越明显。

目录

文摘

英文文摘

第一章：绪论

1.1 选题依据和研究内容

1.2 ZnO半导体

1.2.1 ZnO晶体结构

1.2.2 ZnO能带结构

1.2.3 ZnO基本特性

1.3 ZnO天然N型的原因

1.4 衬底对ZnO薄膜影响

1.5 制备ZnO薄膜的方法

1.5.1 磁控溅射(RF)

1.5.2 分子束外延(MBE)

1.5.3 金属有机化合物气相沉积(MOCVD)

1.5.4 脉冲激光沉积(PLD)

1.5.5 溶胶-凝胶(Sol-gel)

第二章 样品制备方法及测试手段

2.1 溶胶凝胶(Sol-gel)法制备ZnO薄膜

2.1.1 Sol-gel方法的历史

2.1.2 Sol-gel方法的基本过程

2.1.3 Sol-gel方法的特点

2.1.4 Sol-gel制备薄膜的方法

2.2 Sol-gel制备ZnO薄膜

2.2.1 胶体生成ZnO薄膜的原理

2.2.2 Sol-gel制备ZnO胶体

2.2.3 Si片的清洗

2.2.4 薄膜的干燥退火

2.2.5 Sol-gel制备ZnO薄膜流程

2.3 结构表征和测试手段

2.3.1 正电子湮没技术的原理和测试手段

2.3.2 X射线衍射(XRD)

2.3.3 扫描电子显微镜(SEM)

2.3.4 光致发光(PL)

第三章 不同干燥退火程序、退火温度对ZnO特性的影响

3.1 引言

3.2 不同干燥退火程序对ZnO薄膜特性的影响

3.2.1 不同干燥退火程序系列ZnO薄膜的制备

3.2.2 不同干燥退火程序系列ZnO薄膜X射线衍射分析

3.3 退火温度梯度对ZnO薄膜的影响

3.3.1 退火温度梯度系列ZnO薄膜的制备

3.3.2 退火温度梯度系列ZnO薄膜X射线衍射分析

3.4 小结

第四章 不同摩尔浓度Na、K、Mg掺杂对ZnO薄膜特性的影响

4.1 引言

4.2 Na掺杂对ZnO薄膜特性的影响

4.2.1 Na掺杂ZnO薄膜的制备

4.2.2 Na掺杂ZnO薄膜的X射线衍射分析

4.2.3 Na掺杂ZnO薄膜的正电子寿命谱分析

4.2.4 Na掺杂ZnO薄膜的正电子多普勒分析

4.3 K掺杂对ZnO薄膜特性的影响

4.3.1 K掺杂ZnO薄膜的制备

4.3.2 K掺杂ZnO薄膜的X射线衍射分析

4.3.3 K掺杂ZnO薄膜的正电子寿命谱分析

4.3.4 K掺杂ZnO薄膜的正电子多普勒分析

4.4 Mg掺杂对ZnO薄膜特性的影响

4.4.1 Mg掺杂ZnO薄膜的制备

4.4.2 Mg掺杂ZnO薄膜的X射线衍射分析

4.4.3 Mg掺杂ZnO薄膜的正电子寿命谱分析

4.4.4 Mg掺杂ZnO薄膜的正电子多普勒分析

4.5 小结

第五章 Si基ZnO薄膜的光电特性研究

5.1 引言

5.2 ZnO薄膜的制备

5.3 ZnO薄膜的扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射分析(XRD)

5.4 ZnO薄膜光致发光谱分析(PL)

5.5 n-zno/p-Si异质结的白光和红光特性研究

5.6膜层数对n-ZnO/p-Si异质结光电性能的研究

5.6.1 膜层数对n-ZnO/p-Si异质结Ⅰ-Ⅴ特性曲线的影响

5.6.2 膜层数对n-ZnO/p-Si异质结P-Isc特性曲线的影响

5.6.3 膜层数对n-ZnO/p-Si异质结P-Voc特性曲线的影响

5.7 小结

第六章 总结和展望

1.1 实验总结

1.2 问题展望

参考文献

致谢

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