Ga-N共掺p型ZnMgO薄膜的研究

摘要

ZnO是Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料。在室温下，ZnO的禁带宽度为3.37 eV，激子结合能高达60 meV。Mg掺入ZnO薄膜形成的ZnMgO薄膜的禁带宽度，随着Mg掺入量的不同，会在3.3-7.8 eV范围内连续可调，显示出ZnMgO在紫外波段光电器件方面广阔的应用前景。ZnMgO应用于ZnMgO/ZnO异质结、超晶格、量子阱等光学带隙工程，可以明显提高发光效率，制得的半导体激光器可以覆盖从蓝光到紫外光的区域。因此，ZnMgO材料的研究具有极其重要的科研意义和应用价值。但目前关于p型施主．受主共掺杂ZnMgO薄膜的报道较少，而施主-受主共掺又是实现ZnMgO的p型掺杂的重要方法，因此本文选择Ga-N共掺ZnMgO薄膜作为研究对象。 本文采用直流反应磁控溅射技术制备了Ga-N共掺ZnMgO薄膜，主要研究了Mg含量及工作气氛对Ga-N共掺ZnMgO薄膜性能的影响。主要的研究工作如下： 1.以N<,2>O作为氧源和氮源，玻璃作为衬底，使用含不同Mg含量的靶材制备p型Ga-N共掺ZnMgO薄膜，其中靶材中Ga的含量相同。测试结果表明不同Mg含量的Ga-N共掺ZnMgO薄膜，随着Mg含量的增加，20单调增加，c轴长度减小。Mg掺入使薄膜的光学吸收边发生明显蓝移，说明ZnMgO薄膜禁带宽度的调节可以通过对Mg含量的调节来实现。薄膜的Hall测试结果表明制备的ZnMgO薄膜均实现了p型导电性。当薄膜中Mg含量为3％时，薄膜中的载流子浓度达到最大，为6.29×10<'17>cm<'-3>。采用Mg含量为10％的靶材制备的ZnMgO：(Ga,N)/ZnMgO：(Ga)同质结的Ⅰ-Ⅴ特性测试表明其具有明显的整流特性。 2.以N<,2>O作为N源，玻璃作为衬底，制备了p型Ga-N共掺ZnMgO薄膜，研究了Ar/N<,2>O流量比对于Ga-N共掺ZnMgO薄膜性能的影响。研究表明在Ar/N<,2>O=3/2条件下生长的ZnMgO薄膜的电学性能最优。不同Ar/N<,2>O流量比制备的ZnMgO薄膜在可见光区均具有很好的透光率及较陡的吸收边，而且吸收边的位置并未随Ar/N<,2>O流量比发生明显位移，说明Ar/N<,2>O流量比对禁带宽度的影响不大。 3.以NH<,3>作为N源，玻璃作为衬底，制备了Ga-N共掺ZnMgO薄膜，研究了O<,2>/(NH<,3>-O<,2>)比对于Ga-N共掺ZnMgO薄膜性能的影响。研究结果表明，不同O<,2>/(NH<,3>+O<,2>)比下沉积的ZnMgO薄膜在可见光区(X=400-800 nm)均有优良的透射特性，透射率平均为90％，且具有较陡的吸收边。制备的Ga-N共掺ZnMgO薄膜在O<,2>/(NH<,3>+O<,2>)=60％时获得最优的P型电学性能，电阻率为31.65 Ωcm，空穴载流子浓度为1.27×10<'17>cm<'3>，迁移率为1.56 cm<'2>/Vs。

目录

文摘

英文文摘

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的基本结构

2.1.2 ZnO的基本性质

2.1.3 ZnO的光学性质

2.1.4 ZnO的其他性质

2.2 ZnO的掺杂

2.2.1 ZnO的n型掺杂

2.2.2 ZnO的p型掺杂

2.3 ZnMgo的结构、性质及其研究现状

2.3.1 Zn1-xMgxO的结构、性质

2.3.2 ZnMgO的研究现状

2.4 Zn1-xMgxO的应用

2.5立题背景目的及主要研究内容

第三章实验设备、过程及性能评价方法

3.1直流反应磁控溅射技术

3.2实验过程

3.2.1靶材的制备

3.2.2衬底的准备与清洗

3.2.3直流反应磁控溅射制备ZnMgo薄膜的过程

3.3几个实验中基本参数的控制及其影响

3.3.1靶基距

3.3.2溅射功率

3.4性能评价

第四章Mg含量变化对于p型Ga-N共掺ZnMgO薄膜性能的影响

4.1样品制备

4.2靶材与Ga-N共掺ZnMgO薄膜的成分对比

4.3 Ga-N共掺ZnMgo薄膜晶体质量分析

4.4 Ga-N共掺ZnMgO薄膜光学性能分析

4.5 Ga-N共掺ZnMgO薄膜电学性能分析

4.6 Ga-N共掺ZnMgO薄膜的元素化学态分析

4.7本章小结

第五章工作气氛及衬底对于Ga-N共掺ZnMgO薄膜性能的影响

5.1 Ar/N2O流量比对于Ga-N共掺ZnMgO薄膜性能的影响

5.1.1选择N2O的原因

5.1.2样品制备

5.1.3 Ga-N共掺ZnMgO薄膜晶体质量的分析

5.1.4 Ga-N共掺ZnMgO薄膜电学性能的分析

5.1.5 Ga-N共掺ZnMgO薄膜光学性能分析

5.1.6小结

5.2 O2/(NH3+O2)比对于Ga-N共掺ZnMgO薄膜性能的影响

5.2.1选择NH3的原因

5.2.2样品制备

5.2.3 Ga-N共掺ZnMgO薄膜晶体质量、光学性能分析

5.2.4 Ga-N共掺ZnMgO薄膜电学性能的分析

5.2.5 小结

5.3衬底对于Ga-N共掺ZnMgO薄膜性能的影响

5.3.1样品制备

5.3.2 Ga-N共掺ZnMgO薄膜电学性能的分析

5.3.3 Ga-N共掺ZnMgO薄膜的晶体质量分析

5.3.4 小结

5.4本章小结

第六章本文总结

参考文献

攻读硕士期间的研究成果

致谢