Al-N共摻雜實(shí)現(xiàn)p型ZnO的機(jī)理及其相關(guān)器件基礎(chǔ)研究.pdf

1、近年來(lái)，寬禁帶半導(dǎo)體材料ZnO的研究已經(jīng)引起人們廣泛的關(guān)注。ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料，具有直接寬帶隙(室溫下3.37eV)，屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。由于ZnO具有較高的激子結(jié)合能(室溫下為60meV)，遠(yuǎn)大于室溫?zé)崮?26meV)，因而理論上會(huì)在室溫下獲得高效的紫外激子發(fā)光和激光。此外ZnO具有高熔點(diǎn)(1975℃)，高熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性；ZnO單晶薄膜可以在低于500 ℃的生長(zhǎng)溫度下獲得，比GaN等其他寬禁帶半導(dǎo)體材料的制備溫

2、度低很多，因此可以大大減少高溫制備所產(chǎn)生的缺陷。另外，ZnO原材料資源豐富、價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境無(wú)毒無(wú)害，制備工藝簡(jiǎn)單，具有潛在的巨大商用價(jià)值。作為短波長(zhǎng)發(fā)光器件、低閾值紫外激光器的一種全新的候選材料，ZnO已經(jīng)成為當(dāng)今半導(dǎo)體發(fā)光材料與器件研究中新的熱點(diǎn)。 為了實(shí)現(xiàn)ZnO在發(fā)光器件領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，必須外延生長(zhǎng)晶體質(zhì)量良好的p型以及n型薄膜，在此基礎(chǔ)上，制備ZnO的同質(zhì)pn結(jié)，進(jìn)而通過(guò)摻入Cd、Mg調(diào)節(jié)ZnO禁帶寬度，最終實(shí)現(xiàn)ZnO的

3、量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)。ZnO中本征施主缺陷(Zni和Vo)的形成能很低，因此在實(shí)現(xiàn)ZnO的p型轉(zhuǎn)變過(guò)程中，存在本征缺陷的嚴(yán)重補(bǔ)償現(xiàn)象，同時(shí)，VA族和IA族元素盡管在理論上可以在ZnO中形成淺的受主能級(jí)，但是VA族元素中的N元素在ZnO中的固溶度低，其他的P、As、Sb原子半徑大，引起大的晶格畸變和內(nèi)應(yīng)力；而IA族元素則很容易形成間隙態(tài)起施主作用。施主(Al)-受主(N)共摻雜方法實(shí)現(xiàn)ZnO良好的p型特性是近年來(lái)由我們浙江大學(xué)硅材料國(guó)家重點(diǎn)

4、實(shí)驗(yàn)室葉志鎮(zhèn)教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組首先嘗試并實(shí)現(xiàn)的。共摻雜方法可以一定的條件下提高受主雜質(zhì)的濃度，從而有利于得到高空穴濃度的p型ZnO薄膜。 本文以利用Al-N共摻雜方法實(shí)現(xiàn)良好的p-ZnO薄膜作為研究的基礎(chǔ)，以ZnO的p型摻雜機(jī)理為主要研究?jī)?nèi)容。深入分析了擇優(yōu)取向的ZnO多晶薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理，比較了多種常用的受主雜質(zhì)在實(shí)現(xiàn)p型ZnO方面摻雜機(jī)理的異同，并對(duì)影響ZnO的p型特性的幾個(gè)關(guān)鍵因素的作用機(jī)理作了深入研究。在實(shí)現(xiàn)ZnO的p型轉(zhuǎn)變

5、并深入分析其摻雜機(jī)理基礎(chǔ)上，我們制備并研究了ZnO與Si的異質(zhì)結(jié)及其接觸特性，制備了ZnO的同質(zhì)結(jié)、ZnO/ZnCdO異質(zhì)結(jié)以及ZnO/Au的肖特基二極管的原型器件，并對(duì)其性能作了基礎(chǔ)性研究。 C軸擇優(yōu)取向的ZnO薄膜的生長(zhǎng)是一種白組裝生長(zhǎng)過(guò)程，在多種襯底上均可生長(zhǎng)出(0002)取向良好的多晶薄膜。但是在不同的襯底上生長(zhǎng)過(guò)程中，形核的機(jī)制有所不同。單晶Si襯底上生長(zhǎng)擇優(yōu)取向的ZnO薄膜時(shí)，首先要擇優(yōu)形核，而在非晶的玻璃襯底上，則

6、首先形成一層非晶的ZnO。薄膜最終的晶體質(zhì)量以及電學(xué)性能均會(huì)受到襯底的影響。 利用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，基于Al-N共摻雜方法，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性和重復(fù)性都很好的p型ZnO薄膜，電阻率20-30Ω·cm，空穴濃度1017-1018cm-3，遷移率0.5-1 cm2/V·s。適中的Al含量能實(shí)現(xiàn)ZnO薄膜的p型轉(zhuǎn)變，而較高或者較低的Al含量制備的薄膜均為n型。除N以外的其他VA族元素由于原子半徑較大，很難替換O位置實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的p型特性；而

7、在條件控制適當(dāng)?shù)那闆r下，可以替換Zn位置，同時(shí)誘生兩個(gè)Zn的空位，實(shí)現(xiàn)較好的p型ZnO。IA族的Li以及Na等元素性質(zhì)活潑，易形成間隙態(tài)原子補(bǔ)償空穴濃度，從而破壞其p型特性。ⅢA-ⅤA族共摻雜技術(shù)大大促進(jìn)了受主N雜質(zhì)的固溶度。Al-N共摻雜方法是共摻雜技術(shù)中最佳的選擇。 襯底溫度提供薄膜在生長(zhǎng)過(guò)程中形核以及反應(yīng)、雜質(zhì)原子遷移的動(dòng)力，是決定薄膜質(zhì)量及電學(xué)性能的重要因素。襯底溫度過(guò)高或過(guò)低都不利于得到晶體質(zhì)量良好的薄膜。襯底溫度為3

8、80℃-480℃和560℃-600℃兩個(gè)范圍實(shí)現(xiàn)了ZnO的p型轉(zhuǎn)變，而在其他溫度區(qū)間薄膜則為n型導(dǎo)電。我們提出H鈍化Al促進(jìn)共激活模型來(lái)解釋薄膜導(dǎo)電類型隨襯底溫度出現(xiàn)n-p-n-p變化的新現(xiàn)象。施主Al在ZnO薄膜中的摻入明顯促進(jìn)了受主雜質(zhì)N濃度的增加。采用NH3作為N氣體源時(shí)，O2分壓為40％和85％時(shí)實(shí)現(xiàn)了ZnO的p型轉(zhuǎn)變，而在其他分壓下薄膜為n型。NO、NO2作為N氣體源未實(shí)現(xiàn)p型特性很好的ZnO薄膜。O2氣氛下退火在很大程度上改