直流磁控濺射制備In-N共摻p型ZnO薄膜.pdf

1、ZnO作為一種新型半導體材料，在短波發(fā)光二極管(LEDs)、短波激光器(LDs)和紫外探測器領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景，和已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的GaN材料相比，ZnO具有一系列優(yōu)點：(1)自由激子束縛能高達60meV，遠高于GaN的24meV，這樣ZnO在室溫下就可以產(chǎn)生激子發(fā)射；(2)ZnO的制備溫度遠低于GaN，而且ZnO原料很便宜，又可以采用濕化學方法進行刻蝕，成本很低；(3)ZnO制備對襯底的要求沒有GaN苛刻，可以采用大面積的襯底；(4

2、)ZnO抗粒子輻射性很強，可以在一些惡劣的環(huán)境中使用。因此ZnO有望在不遠的將來在光電領(lǐng)域成為GaN之外的一個新選擇。 本征ZnO因其本征缺陷而呈現(xiàn)n型導電性，通過摻入Al、Ga等施主元素，性能優(yōu)異的n型ZnO的制備已漸趨成熟，但是由于受主元素固溶度低以及施主缺陷的自補償?shù)仍?，ZnO的p型摻雜很困難。在所有的受主元素中，N被認為是最合適的，一些研究小組以N作為摻雜元素制備出了p型ZnO薄膜，但是或者載流子濃度低、電阻率高，或者

3、性能不穩(wěn)定，p型ZnO的制備困難已經(jīng)成了ZnO光電材料發(fā)展的瓶頸。 近來提出的施主和受主共摻技術(shù)為p型ZnO的制備提供了新的思路。根據(jù)理論預測[12]，共摻可以制備出載流子濃度高、電阻率低以及穩(wěn)定的p型ZnO，而且采用Ga-N、Al-N共摻的方法已經(jīng)得到性能較好的p型ZnO薄膜。本文根據(jù)這一思路，在作者實驗室原有的ZnOp型摻雜的基礎(chǔ)上，采用創(chuàng)新的In-N共摻的方法制備p型ZnO薄膜，為制備ZnO基光電器件打下基礎(chǔ) 以下

4、是本文的研究內(nèi)容：1.采用直流反應(yīng)磁控濺射在玻璃襯底上沉積了In-N共摻ZnO薄膜，襯底溫度520℃時，空穴濃度最高為2.58×1018cm-3，同時電阻率最低為3.91Ωcm，霍爾遷移率為0.62cm2V-1s-1。 2.對薄膜樣品進行XRD衍射分析，其半高寬最小值為0.241°，之前的文獻報道的純ZnO薄膜的半高寬最小值在0.20°左右，共摻ZnO薄膜有較好的晶體質(zhì)量。 3.研究了靶材中的In含量對共摻薄膜晶粒尺寸的

5、影響，In含量越高，晶粒尺寸越小，并通過SEM測試，發(fā)現(xiàn)薄膜在低溫和高溫時表面粗糙度較大，存在一個合適的襯底溫度，在這個溫度下，薄膜的表面粗糙度最小。 4.通過截面掃描電鏡圖分析，生成的薄膜厚度比較均勻，約為125nm，生長參數(shù)為：靶材含In0.5wt％，氣氛為Ar：NH3：O2=4：1：3，襯底溫度520℃，生長時間為30分鐘。 5.通過霍爾測試，發(fā)現(xiàn)共摻薄膜的電學性能比非共摻(單摻N)薄膜有較大的提高，共摻所得p型Z

6、nO薄膜的空穴濃度高了3個數(shù)量級，電阻率低2個數(shù)量級。 6.共摻薄膜在放置30天后進行霍爾測試，空穴載流子濃度、電阻率和遷移率都沒有明顯變化，其電學性能較為穩(wěn)定。 7.研究了襯底溫度對共摻薄膜電學性能的影響，發(fā)現(xiàn)薄膜在低溫時為高阻n型，高溫時為低阻n型，在合適的溫度范圍(480-540℃)內(nèi)，為低阻p型導電。 8.對共摻ZnO薄膜進行了紫外光投射譜分析，發(fā)現(xiàn)薄膜對可見光的透射率都在90％左右，薄膜光吸收邊隨著襯底