直流磁控溅射制备In-N共掺p型ZnO薄膜

摘要

ZnO作为一种新型半导体材料，在短波发光二极管(LEDs)、短波激光器(LDs)和紫外探测器领域有着非常广阔的应用前景，和已经产业化的GaN材料相比，ZnO具有一系列优点：(1)自由激子束缚能高达60meV，远高于GaN的24meV，这样ZnO在室温下就可以产生激子发射；(2)ZnO的制备温度远低于GaN，而且ZnO原料很便宜，又可以采用湿化学方法进行刻蚀，成本很低；(3)ZnO制备对衬底的要求没有GaN苛刻，可以采用大面积的衬底；(4)ZnO抗粒子辐射性很强，可以在一些恶劣的环境中使用。因此ZnO有望在不远的将来在光电领域成为GaN之外的一个新选择。 本征ZnO因其本征缺陷而呈现n型导电性，通过掺入Al、Ga等施主元素，性能优异的n型ZnO的制备已渐趋成熟，但是由于受主元素固溶度低以及施主缺陷的自补偿等原因，ZnO的p型掺杂很困难。在所有的受主元素中，N被认为是最合适的，一些研究小组以N作为掺杂元素制备出了p型ZnO薄膜，但是或者载流子浓度低、电阻率高，或者性能不稳定，p型ZnO的制备困难已经成了ZnO光电材料发展的瓶颈。 近来提出的施主和受主共掺技术为p型ZnO的制备提供了新的思路。根据理论预测[12]，共掺可以制备出载流子浓度高、电阻率低以及稳定的p型ZnO，而且采用Ga-N、Al-N共掺的方法已经得到性能较好的p型ZnO薄膜。本文根据这一思路，在作者实验室原有的ZnOp型掺杂的基础上，采用创新的In-N共掺的方法制备p型ZnO薄膜，为制备ZnO基光电器件打下基础 以下是本文的研究内容：1.采用直流反应磁控溅射在玻璃衬底上沉积了In-N共掺ZnO薄膜，衬底温度520℃时，空穴浓度最高为2.58×1018cm-3，同时电阻率最低为3.91Ωcm，霍尔迁移率为0.62cm2V-1s-1。 2.对薄膜样品进行XRD衍射分析，其半高宽最小值为0.241°，之前的文献报道的纯ZnO薄膜的半高宽最小值在0.20°左右，共掺ZnO薄膜有较好的晶体质量。 3.研究了靶材中的In含量对共掺薄膜晶粒尺寸的影响，In含量越高，晶粒尺寸越小，并通过SEM测试，发现薄膜在低温和高温时表面粗糙度较大，存在一个合适的衬底温度，在这个温度下，薄膜的表面粗糙度最小。 4.通过截面扫描电镜图分析，生成的薄膜厚度比较均匀，约为125nm，生长参数为：靶材含In0.5wt％，气氛为Ar：NH3：O2=4：1：3，衬底温度520℃，生长时间为30分钟。 5.通过霍尔测试，发现共掺薄膜的电学性能比非共掺(单掺N)薄膜有较大的提高，共掺所得p型ZnO薄膜的空穴浓度高了3个数量级，电阻率低2个数量级。 6.共掺薄膜在放置30天后进行霍尔测试，空穴载流子浓度、电阻率和迁移率都没有明显变化，其电学性能较为稳定。 7.研究了衬底温度对共掺薄膜电学性能的影响，发现薄膜在低温时为高阻n型，高温时为低阻n型，在合适的温度范围(480-540℃)内，为低阻p型导电。 8.对共掺ZnO薄膜进行了紫外光投射谱分析，发现薄膜对可见光的透射率都在90％左右，薄膜光吸收边随着衬底温度上升先向短波方向移动而后向长波方向移动。

目录

摘要

第一章前言

第二章文献综述

2.1引言

2.2 ZnO的研究进展

2.2.1 ZnO的一些本物理化学性质

2.2.2发光性能的研究

2.2.3电学性能的研究

2.3 ZnO中的缺陷和杂质

2.3.1ZnO薄膜中的点缺陷

2.3.2 ZnO中的杂质缺陷

2.4 p型ZnO的研究进展

2.4.1以V族元素为受主源

2.4.2以I族元素为受主源

2.5 ZnO薄膜的应用及前景

2.5.1.ZnO薄膜在光电器件方面的应用

2.5.2.ZnO薄膜在声表面波器件方面的应用

2.5.3.ZnO薄膜在太阳能电池方面的应用

2.5.4.ZnO薄膜在气敏元件方面的应用

2.5.5.ZnO与GaN互作缓冲层

第三章实验过程和设备及测试

3.1直流磁控溅射(DCMS)方法简介

3.2 S型枪直流反应磁控溅射设备

3.3溅射靶材

3.4 ZnO薄膜生长衬底(基片)的清洗

3.5直流反应磁控溅射制备ZnO薄膜的过程

3.6 ZnO薄膜物理性能测试

3.6.1物相组成与结构

3.6.2表面形貌、晶粒尺寸和膜厚

3.7 ZnO薄膜电学性能测试

3.8 ZnO薄膜光透射谱测试

第四章直流磁控溅射制备p型In-N共掺ZnO晶体薄膜

4.1 ZnO薄膜中晶粒的取向性

4.1.1溅射靶材中In元素的影响

4.1.2衬底温度的影响

4.2 ZnO薄膜的表面形貌

4.2.1靶材中In含量的影响

4.2.2衬底温度的影响

4.3 ZnO薄膜截面形貌

4.4共掺ZnO薄膜的电光学性能

4.4.1共掺和非共掺对电学性能的影响

4.4.2衬底温度对电学性能的影响

4.4.3衬底温度对光学性能的影响

4.5小结

第五章p型ZnO的共掺机理

5.1 Yamamoto的共掺理论

5.2 Y.F.Yan的共掺理论

第六章结论

参考文献

攻读硕士学位期间的发表或被录用的论文

致谢