Al-N共掺杂ZnO薄膜的制备及其光电性质的研究

摘要

氧化锌是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，室温下氧化锌的禁带宽度为3.37 eV，激子束缚能为60 me V，远高于室温离化能(26 me V)，使得其可以在室温或者更高温度下实现激子发光。氧化锌要实现在光电器件领域的广泛应用，首先要解决高质量的n型和p型材料的制备问题。一般情况下，非掺杂氧化锌表现为n-型。这是由于在氧化锌材料制备过程中，施主型本征缺陷容易形成。目前高质量的n-型氧化锌已经实现。但是由于存在自补偿效应和受主形成能高的原因，其p型掺杂还存在很多问题。能否解决ZnO材料的p型掺杂难题，将直接关系到能否实现高性能ZnO基材料光电器件的应用。在氧化锌的p型掺杂中，已有研究人员利用单受主元素掺杂的方法实现了p型氧化锌，但是出现了受主离化能高和受主溶解度低的缺点。之后有研究人员提出利用施主受主共掺杂的方法，此方法可以利用施主和受主之间的强吸引力提高受主掺杂浓度，降低受主离化能，有效实现p型掺杂。本文主要研究Al-N共掺对氧化锌性质的影响，并通过退火实验获得了p型ZnO。
　　本文比较了热氧化法制备N掺杂和Al-N共掺杂ZnO的性质。实验中先制备了Zn2N2和Zn3N2:Al薄膜作为前驱体，在氧气氛中对其进行不同温度的热处理。结果表明Zn3N2向ZnO的转变温度低于Zn3N2:Al，而Zn3N2:Al热氧化后结晶质量最好。Zn3N2:Al经过热处理后具有(002)的择优取向，而Zn3N2经过热氧化后呈现出多相结构。掺杂样品都表现出明显的紫外吸收，但Al-N共掺杂薄膜在800℃和900℃仍存在明显的激子吸收峰，明显优于N掺杂ZnO薄膜，表明Al的引入可以明显提高掺杂ZnO薄膜的热稳定性。Zn3N2经过热氧化后并没有发现p型转变，而Zn3N2:Al薄膜经过热氧化后在600℃及以上实现了p型导电的转变。
　　为了得到高质量的掺杂ZnO，本文选择ZnO和AlN陶瓷靶，研究了磁控双靶共溅射制备过程中沉积温度和溅射气氛中N2分压对Al-N共掺杂ZnO薄膜的性质影响。结果表明，所有共掺杂ZnO薄膜都呈单一(002)取向的多晶薄膜。随着沉积温度的升高，薄膜的(002)峰峰位由34.170°增大到34.214°，衍射峰半高宽由0.452°减小到0.411°。电学测试结果显示载流子浓度由1.582×1017 cm-3升高到4.188×1018 cm-3。薄膜在可见光区显示出较高的透过率，所有共掺杂薄膜呈n型导电。与纯Ar溅射相比，溅射气氛中通入N2后制备的共掺杂ZnO薄膜载流子浓度有明显的降低。为激活受主元素，减少施主杂质浓度，对不同N分压所得样品进行了不同温度的热处理，在700℃得到了p型ZnO。

目录

第1章 绪 论

1.1引言

1.2 ZnO基本性质

1.3氧化锌的p型掺杂研究

1. 3. 1Ⅰ族元素掺杂

1. 3. 2 Ⅴ族元素掺杂

1. 3. 3施主受主共掺杂

1.4 本文主要研究内容

第2章 热氧化法制备Al-N共掺杂ZnO

2.1 引言

2.2 Zn3N2:Al薄膜的制备

2. 2. 1 磁控溅射技术原理

2.2.2 Zn3N2:Al薄膜的制备

2.3 测试与分析

2.3.1 XRD测试与分析

2. 3. 2 光学吸收测试与分析

2. 3. 3光致发光测试与分析

2. 3. 4 Hall效应测试与分析

2.4本章小结

第3章 沉积温度对Al-N共掺杂ZnO的影响

3.1 引言

3.2 不同沉积温度Al-N共掺杂氧化锌薄膜的制备

3.3 不同沉积温度Al-N共掺杂氧化锌薄膜的测试与分析

3.3.1 XRD测试与分析

3. 3. 2光学性能测试与分析

3. 3. 3 Hall效应测试与分析

3.4本章小结

第4章 N2分压及退火对Al-N共掺杂ZnO的影响

4.1 引言

4.2 不同N2分压掺杂薄膜样品的制备

4.3不同N2分压掺杂薄膜样品测试与分析

4.3.1 XRD测试与分析

4. 3. 2 光学性能测试与分析

4. 3. 3 电学性能测试与分析

4.4退火对电学性能的影响

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文及其他成果

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致谢