Na相关掺杂及N掺杂p型ZnO薄膜的制备和性能研究

摘要

ZnO是一种II-VI族宽禁带直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度约为3.37eV，激子束缚能高达60meV，远高于室温下的热能(26meV)，可实现室温下激子受激辐射，适合于制备短波长光电器件，如蓝紫光发光二极管、激光二极管、紫外探测器等。为了制备ZnO基光电器件，我们需要得到性能稳定的n型和p型ZnO。ZnO由于极性很强天然为n型半导体，然而要实现ZnO的p型掺杂却很困难。选择一种合适的p型掺杂元素是ZnO研究中非常关键的问题。本文研究了Na相关掺杂及N掺杂的ZnO薄膜，指出Na更容易取代Zn形成受主，且Na掺杂比N掺杂更容易得到p型ZnO，从而证明Na是ZnO中最好的p型掺杂元素。主要研究工作如下：
　　 1.通过脉冲激光沉积方法成功制备了Li、Na共掺杂的p型ZnO薄膜，研究了衬底温度、生长氧压对ZnO薄膜结晶质量、电学性能和光学性能的影响。在衬底温度为600℃，氧压为21Pa时，获得最佳p型导电性能：电阻率为99.81～104.5Ωcm，载流子浓度为1.03×1016～2.96×1016cm。Hall迁移率为2.11～6.03cm2V-1s-1。同时我们从两方面分析了Li、Na共掺杂这种p型掺杂方法。从双受主共掺杂思路角度分析，通过薄膜电学性能随温度的演变从实验上论证了Na受主元素相对于Li受主元素的优越性；但从双受主共掺杂方法角度分析，由于Li、Na元素在占据Zn位的过程中会有竞争从而导致产生过量的间隙Li、Na，我们认为这种双受主共掺方法不利于制备高质量p型ZnO薄膜。
　　 2.通过脉冲激光沉积方法成功制备了Na掺杂的p型ZnO薄膜，研究了激光能量对ZnO薄膜结晶质量、电学性能和光学性能的影响。衬底温度为500℃，氧压为40Pa，脉冲激光能量为280mJ时得到的薄膜具有最佳的p型导电性能：电阻率20.25～20.88Ωcm，载流子浓度为1.29×1017～3.53×1017cm-3，Hall迁移率为0.848～2.38cm2V-1s-1。通过分析我们认为只有在合适的激光能量下，ZnO薄膜的电学性能和晶体质量才能达到最佳，但激光能量对薄膜性能影响有限。由于Na掺杂p型-ZnO薄膜电学性能相对比较优越，我们进一步确认Na掺杂是一种很好的制备p型ZnO的方法。
　　 3.通过金属有机化学气相沉积方法成功制备了N掺杂的p型ZnO薄膜，研究了衬底温度对ZnO薄膜结晶质量、电学性能和光学性能的影响。衬底温度为390℃，生长压强为20Pa时薄膜具有最优的p型导电性能：电阻率为84.7～93.7Ωcm，载流子浓度为5.54×1016～1.04×1017cm-3，Hall迁移率为0.64～1.2cmZV-1s-1。通过对390℃衬底温度下生长的ZnO：N薄膜的XPS图谱进行了分析，发现了ZnO：N薄膜中的受主高度补偿现象，解释了薄膜导电类型在一很窄的温度范围内会发生转变的原因。由于N受主在ZnO薄膜中存在高度补偿现象，我们认为Na元素比N元素更适合做ZnO中的受主元素。

目录

文摘

英文文摘

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致谢

第一章 前言

第二章 文献综述

2.1 ZnO的结构与性质

2.1.1 ZnO的晶体结构与基本性质

2.1.2 ZnO的能带结构

2.1.3 ZnO的光学性能

2.2 ZnO的形态与制备技术

2.2.1 ZnO体单晶

2.2.2 ZnO薄膜

2.2.3 ZnO纳米结构

2.3 ZnO材料的研究热点与进展

2.3.1 ZnO薄膜p型掺杂研究及进展

2.3.2 ZnO纳米材料的研究及进展

2.4 ZnO的应用

第三章 Na相关掺杂的p型ZnO薄膜

3.1生长设备、制备工艺及性能表征

3.1.1生长设备

3.1.2制备工艺

3.1.3性能表征

3.2 Li、Na共掺杂的p型ZnO薄膜

3.2.1引言

3.2.2 Li、Na共掺杂的p-ZnO：衬底温度的影响

3.2.3 Li、Na共掺杂的p-ZnO：生长氧压的影响

3.2.4 Li、Na共掺杂法制备p-ZnO可行性分析

3.2.5小结

3.3 Na掺杂的p型ZnO薄膜

3.3.1引言

3.3.2 Na掺杂的p-ZnO：激光能量的影响

3.3.3小结

3.4本章小结

第四章 N掺杂的p型ZnO薄膜

4.1引言

4.2生长设备、制备工艺及性能表征

4.2.1生长设备

4.2.2制备工艺

4.2.3性能表征

4.3 N掺杂的p-ZnO：衬底温度的影响

4.3.1薄膜样品的制备

4.3.2衬底温度对薄膜电学性能的影响

4.3.3衬底温度对薄膜结晶性能的影响

4.3.4衬底温度对薄膜光学性能的影响

4.4 N掺杂ZnO薄膜高度补偿现象分析

4.5本章小结

第五章 结论

参考文献

作者简历