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ZnO是一种直接宽禁带半导体光电材料,室温禁带宽度为3. 37 eV,自由激子结合能高达60meV,远大于GaN的25 meV和ZnSe的22 mev。ZnO薄膜制备温度低,价格低廉,可以用块体ZnO作为衬底,而且抗射线辐射性好,这些优点使得ZnO成为一种极具发展和应用潜力的半导体材料,有望在不久的将来取代Ⅲ-Ⅴ族半导体材料,在短波长发光二极管、激光器、探测器和太阳能电池等众多领域得到广泛的应用。但是,p型ZnO制备的困难成为目前ZnO发展和应用的瓶颈。本征ZnO由于内部的大量施主型缺陷而呈n型导电性,采用Al、Ga,等Ⅲ族元素作为掺杂剂,人们已经制备出了性能较好的n型ZnO,但是,由于受主元素在ZnO中较低的固溶度、较深的受主能级、施主缺陷的自补偿等缘故,很难制备出优良的p型ZnO。在所有Ⅰ族和Ⅴ族的受主元素中,氮被认为是最好的p型掺杂元素,一些研究组以及作者实验室通过掺N已经得到了p型ZnO,但是N浓度都较低,电阻率偏大,即使制备出了N浓度很高、空穴浓度也很高的p型ZnO,放置一段时间后,空穴浓度也会下降,甚至转为n型。N在ZnO中掺杂浓度低以及不稳定是由于N的掺入会使ZnO薄膜的马德隆能升高。而理论预测,如果受主和施主按2:1的原子比同时掺入ZnO中会降低马德隆能,这样可以大幅升高受主元素在ZnO中的掺杂浓度,并且掺杂后的ZnO性能稳定。沿用这一思路,本文通过直流反应磁控溅射,在N2O和O2混合气氛中,采用Al和N共掺的方法制备出了p型ZnO薄膜,研究了衬底温度、靶材Al含量等生长条件对其性能的影响,在此基础上成功制备了ZnO同质p-n结,并且对p型ZnO的共掺机理作了详细的探讨。文中得出以下主要结果:1. 首次采用Al-N共掺的方法制备了p型ZnO薄膜,其中以N2O作为受主源,以Zn:Al合金作为溅射靶材。共掺ZnO薄膜表现出优良的沿(002) 方向的择优取向性,表面较平整,粒度均匀,厚约270 nm。Al-N共掺和单独掺N相比,所得p型ZnO的空穴浓度要高两个数量级以上,电阻率低一个数量级。文中制备的p型ZnO薄膜空穴浓度最高为1018cm-3量级,同时电阻率最低为101Ω cm量级,生长条件为:靶材中含Al 0. 4 at%,衬底温度500℃,气氛为纯N2O。2. 首次以In-Zn合金作为电极,分别以Al-N共掺ZnO(电阻率54 Ω cm)作为p型层,以掺Al的ZnO(电阻率5. 4×10-3 Ω cm)作为n型层,成功制备了ZnO同质p-n结,其开启电压为3 V,反向漏电流很小,电流达毫安量级,优于文献报道的以N作为p型层掺杂元素的ZnO同质p-n结。浙江大学博十学位论文 3.以本文和文献中报道的实验结果为依据,在现有理论的基础上,提出了关于共掺法制备p型ZnO的一些新观点: (a)采用共掺方法并且以N20作为受主源、Al作为施主源时,会发生以下反应:NZO+Al*NO十AIN,NO和AIN同时进入zno晶格,形成一种稳定的【ZN,All结构,其中,[Al一Nl对来自反应生成的AIN,Al原子次近邻位置的N来自反应生成的NO分子。以N作为受主元素时,只有采用共掺方法才能得到空穴浓度高、性能稳定的p型ZnO。 (b)室温下,ZnO薄膜中载流子迁移率是由电离杂质散射机制控制的。Al一N共掺p型ZnO较低的空穴迁移率是多余「Al一NI对的掺入和较差的晶体质量综合作用的结果。 (c)如果ZnO的晶体质量得到提高,zno中载流子迁移率就可以得到大幅改善,通过共掺的方法就可以制备出载流子浓度高并且迁移率也较高、性能稳定的p型zno薄膜。关键词:半导体光电材料,p型zno,Al一N共掺,薄膜性能,直流磁控溅射