Na相关掺杂及N掺杂p型ZnO薄膜的制备和性能研究

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ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带直接带隙半导体材料,室温下禁带宽度约为3.37eV,激子束缚能高达60meV,远高于室温下的热能(26meV),可实现室温下激子受激辐射,适合于制备短波长光电器件,如蓝紫光发光二极管、激光二极管、紫外探测器等。为了制备ZnO基光电器件,我们需要得到性能稳定的n型和p型ZnO。ZnO由于极性很强天然为n型半导体,然而要实现ZnO的p型掺杂却很困难。选择一种合适的p型掺杂元素是ZnO研究中非常关键的问题。本文研究了Na相关掺杂及N掺杂的ZnO薄膜,指出Na更容易取代Zn形成受主,且Na掺杂比N掺杂更容易得到p型ZnO,从而证明Na是ZnO中最好的p型掺杂元素。主要研究工作如下:1.通过脉冲激光沉积方法成功制备了Li、Na共掺杂的p型ZnO薄膜,研究了衬底温度、生长氧压对ZnO薄膜结晶质量、电学性能和光学性能的影响。在衬底温度为600℃,氧压为21Pa时,获得最佳p型导电性能:电阻率为99.81-104.5Ωcm,载流子浓度为1.03×1016-2.96×1016cm-3,Hall迁移率为2.11-6.03cm2V-1s-1。同时我们从两方面分析了Li、Na共掺杂这种p型掺杂方法。从双受主共掺杂思路角度分析,通过薄膜电学性能随温度的演变从实验上论证了Na受主元素相对于Li受主元素的优越性;但从双受主共掺杂方法角度分析,由于Li、Na元素在占据Zn位的过程中会有竞争从而导致产生过量的间隙Li、Na,我们认为这种双受主共掺方法不利于制备高质量p型ZnO薄膜。2.通过脉冲激光沉积方法成功制备了Na掺杂的p型ZnO薄膜,研究了激光能量对ZnO薄膜结晶质量、电学性能和光学性能的影响。衬底温度为500℃,氧压为40Pa,脉冲激光能量为280mJ时得到的薄膜具有最佳的p型导电性能:电阻率20.25-20.88Ωcm,载流子浓度为1.29×1017-3.53×1017cm-3,Hall迁移率为0.848-2.38cm2V-1s-1。通过分析我们认为只有在合适的激光能量下,ZnO薄膜的电学性能和晶体质量才能达到最佳,但激光能量对薄膜性能影响有限。由于Na掺杂p型ZnO薄膜电学性能相对比较优越,我们进一步确认Na掺杂是一种很好的制备p型ZnO的方法。3.通过金属有机化学气相沉积方法成功制备了N掺杂的p型ZnO薄膜,研究了衬底温度对ZnO薄膜结晶质量、电学性能和光学性能的影响。衬底温度为390℃,生长压强为20Pa时薄膜具有最优的p型导电性能:电阻率为84.7-93.7Ωcm,载流子浓度为5.54×1016-1.04×1017cm-3,Hall迁移率为0.64-1.2cm2V-1s-1。通过对390℃衬底温度下生长的ZnO:N薄膜的XPS图谱进行了分析,发现了ZnO:N薄膜中的受主高度补偿现象,解释了薄膜导电类型在一很窄的温度范围内会发生转变的原因。由于N受主在ZnO薄膜中存在高度补偿现象,我们认为Na元素比N元素更适合做ZnO中的受主元素。
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