MOCVD法生长磷掺杂p型ZnO薄膜及其退火研究

摘要

ZnO作为一种新型的Ⅱ-Ⅳ族化合物半导体材料，广泛应用于紫外发光器件、变阻器、表面声波器件、压电传感器、透明电极等领域。ZnO的室温禁带宽度大(3.37eV)，激子束缚能(60meV)高，使得它在光电领域有巨大应用潜力，从而受到了人们的高度重视。 ZnO天然是一种极性半导体，n型掺杂容易实现，而p型ZnO薄膜的制备则相对比较难。在实现ZnO薄膜p型转变的研究中，探讨最多的就是第V族的掺杂元素，但是到目前为止仍然缺乏可靠的、高重复性的p型掺杂。而近来提出的大尺寸失配掺杂(如P、As、Sb)技术为ZnO薄膜p型导电的研究提供了新的思路，采用磷掺杂能够得到重复性和稳定性更好的p-ZnO薄膜。 目前，制备磷掺杂p型ZnO薄膜的方法主要是射频磁控溅射和脉冲激光沉积。而MOCVD方法作为一种很好的成膜技术，易于制备出高晶体质量的ZnO薄膜，能够实现大面积沉积，适合于工业化生产。因此，使用MOCVD方法制备p型ZnO薄膜是十分有意义的。 本论文系统阐述了ZnO的性能、应用前景以及各种制备技术，并对p型掺杂进行了详细研究，取得的成果如下： 1.利用本实验室自行改装的MOCVD设备，分别在玻璃和石英衬底上生长了磷掺杂ZnO薄膜，对其进行退火，实现了ZnO薄膜的p型转变。测试结果表明获得的p型ZnO薄膜具有优良的性能。 2.在350-600℃范围内退火的磷掺杂ZnO薄膜具有良好的c轴择优取向，且(002)峰随着退火温度的升高显著增强，半高宽减小。并且由于O2能使薄膜晶体得到较充分氧化，本征氧间隙数量减少，所以O2气氛中退火的薄膜比在N2中退火的晶体质量更优。 4.具体研究了退火温度、退火时间以及退火气氛对磷掺杂ZnO薄膜电学性能的影响。在O2和N2气氛中对磷掺杂ZnO薄膜进行低温长时间退火，能够在450-550℃范围内O2气氛中获得p型ZnO薄膜，且500℃下退火20min的薄膜的导电性能得到最明显的改善。如果进行高温快速热退火，两种气氛中得到的薄膜均可呈现p型导电。相比较而言，氧气气氛中的快速热退火更能有效的补偿施主缺陷，激活受主，实现ZnO薄膜的p型转变，800℃下退火3min获得的薄膜载流子浓度最高为1.27×1019cm-3，电阻率为5.810.cm。 5.分析了所得p型ZnO薄膜的光学性能。透射谱显示薄膜在可见光范围内的透射率约为90％。从薄膜的低温光致发光谱观察到位于3.35eV的中性受主束缚激子相关的发射峰，证实了该ZnO薄膜的p型导电行为。

目录

摘要

第一章前言

第二章文献综述

第三章MOCVD沉积系统

第四章原位生长ZnO及磷掺杂ZnO薄膜

第五章磷掺杂ZnO薄膜的退火研究

第七章结论

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢