P型ZnO薄膜及其p-n结的制备与性能的研究

摘要

ZnO是II-IV宽禁带半导体材料，禁带宽度为3.37eV，属于六方纤锌矿结构，具有压电、热电、气敏和光电等多种性能，在很多领域都有广泛的应用。ZnO具有较高的激子结合能(室温下为60meV)，远大于室温热能(26meV)，也远高于其他宽禁带半导体材料(如：GaN为25meV，ZnSe为22meV)，理论上能在室温下获得高效的紫外激子发光和激光，因此，ZnO材料在短波长光电器件方面有着巨大的潜在应用。但是要实现ZnO材料在光电器件方面的应用，首先要获得高质量的n型和p型ZnO薄膜及ZnO同质p-n结。由于ZnO本征为n型材料，因此，制备高质量的n型ZnO材料比较容易，通过掺杂Ⅲ族(Al、Ga等)元素，可以制备出电阻率为10-4Ωcm数量级透明导电薄膜。但是由于ZnO中存在较强的本征施主缺陷自补偿作用和可能存在的H施主掺杂，要获得高质量的p型ZnO薄膜非常困难，这限制了ZnO基光电器件的发展。本文采用磁控溅射技术，以Zn3As2为掺杂源，找到了制备p型ZnO:As薄膜两条新的途径：(i)通过溅射ZnO:Zn3As2陶瓷靶；(ii)同时溅射纯Zn3As2和纯ZnO陶瓷靶。利用多种材料表征手段研究了样品的结构、形貌、电学和光学性能，讨论了生长和热处理条件对薄膜各种性能的影响，制备出了载流子浓度为1016-1017cm-3的p型ZnO:As薄膜。在ZnO:As薄膜中，由于As原子半径比O原子半径大的多，As很难直接取代ZnO中O的位置而形成受主缺陷。本文从材料热力学的角度，依据AsZn-2Vzn受主模型尝试的解释了实验中的As掺杂ZnO薄膜的电学行为，认为ZnO的导电类型与衬底温度密切相关，只有在适当的温度范围内，才能制备出p型ZnO:As薄膜，此外，对n型ZnO:As薄膜适当的热处理，可以使其导电类型转变成p型。用XPS研究了As在p型ZnO:As薄膜的化学键状态，其结果表明As在薄膜中以As-O存在，即As处于氧化态，这证明了As在薄膜中不是直接取代O的位置而形成受主缺陷，这一点有助于深入研究As掺杂ZnO的导电机制，也支持了Aszn-2Vzn受主模型。在获得p型ZnO:As薄膜的基础上，成功制备出了具有明显整流性的ZnO基同质p-n结及在p型Si上制各了整流性较好的ZnO基异质p-n结，并分析了p-n结的结构、形貌、电学和光学性质。另外，采用磁控溅射技术制备出了MgZnO:As薄膜，初步研究了生长和热处理条件对MgZnO:As薄膜结构、形貌、电学和光学性能的影响，认为Mg元素的掺杂对薄膜的导电类型产生了重要影响，由于Mg2+(0.57A)半径与Znz+(0.60A)半径相近，与As原子相比，Mg原子更易取代Zn位置，导致薄膜中Aszn-2Vzn受主结构比较难形成，因此p型MgZnO:As薄膜比较难制备。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章文献综述

1.1前言

1.2 ZnO的结构

1.3 ZnO的固有缺陷和荧光性质

1.4 ZnO掺杂的研究进展

1.4.1 H元素的掺杂

1.4.2施主掺杂

1.4.3受主掺杂

1.4.4调控ZnO的禁带宽度的掺杂

1.5 ZnO的应用

1.5.1光电器件

1.5.2透明导电薄膜

1.5.3压电和热电材料

1.5.4铁电和铁磁材料

1.5.5用作生长GaN的缓冲层

1.6 ZnO作为光电材料研究中存在的主要问题

1.7 ZnO薄膜的制备方法

1.7.1磁控溅射

1.7.2脉冲激光沉积

1.7.3分子束外延

1.7.4金属有机化学气相沉积

1.7.5喷涂热分解

1.8薄膜的形成过程

1.9本文的选题依据及主要研究内容

1.10主要创新点

第2章样品的制备及表征

2.1薄膜样品的制备

2.1.1磁控溅射系统

2.1.2溅射原理

2.1.3靶材的制备

2.1.4衬底的选择与处理

2.1.5样品的制备过程

2.2表征方法介绍

2.2.1结构和成分分析

2.2.2表面形貌观察

2.2.3电学测量

2.2.4光学测量

第3章纯ZnO薄膜结构性能的研究

3.1 ZnO薄膜与粉末的结构和性能

3.1.1 X-射线衍射(XRD)

3.1.2扫描电子显微镜(SEM)

3.1.3紫外可见光吸收光谱(UV-Vis)

3.2生长和热处理条件对ZnO薄膜与粉末的结构和性能的影响

3.2.1 X-射线衍射(XRD)

3.2.2原子力显微镜(AFM)

3.2.3光学性能

3.3本章小结

第4章As掺杂ZnO薄膜的结构性能研究

4.1溅射Zn3As2/ZnO靶制备的ZnO薄膜结构性能研究

4.1.1 X-射线衍射(XRD)

4.1.2 As掺杂ZnO薄膜表面形貌(AFM、SEM)

4.1.3 X-射线能量散射谱(EDS)

4.1.4 X-射线光电子能谱(XPS)

4.1.5霍尔效应

4.1.6紫外-可见光透光光谱(UV-Vis)

4.2共溅射Zn3As2和ZnO靶制备ZnO薄膜结构性能研究

4.2.1 X-射线衍射(XRD)

4.2.2 As掺杂ZnO薄膜的表面形貌(SEM)

4.2.3薄膜成分分析

4.2.4 X-射线光电子能谱(XPS)

4.2.5欧姆接触

4.2.5霍尔效应

4.2.6紫外-可见光透光光谱(UV-Vis)

4.3本章小结

第5章ZnO基p-n结性质的研究

5.1引言

5.2 ZnO同质结

5.2.1玻璃衬底

5.2.2 p-n结的透光性

5.2.3 Si02/Si衬底

5.3 ZnO异质结

5.4本章小结

第6章ZnO：(Mg，As)薄膜性能的研究

6.1 X-射线衍射(XRD)

6.2原子力显微镜(AFM)

6.3 X-射线能量散射谱(EDS)

6.4霍尔效应

6.5紫外-可见光透光光谱(UV-Vis)

6.6本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间所发表与待发表的论文