元素掺杂对氧化法制备ZnO薄膜结构与性能的影响

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氧化锌(ZnO)是一种直接宽带隙半导体材料,室温下禁带宽度3.37eV,激子束缚能高达60meV,物理性能优异。而且,ZnO的原材料来源广泛,价格低廉,在光电、热电、稀磁半导体、压力传感器等领域有广泛的应用前景。ZnO作为一种典型的氧化物半导体,和其他类型半导体相同,都需要通过掺杂改变结构,提升性能。当前ZnO基半导体薄膜虽然进行了大量研究,但仍不能得到广泛应用。一个重要原因就是不能通过掺杂有效的控制其微观结构、性能和稳定性。所以,通过实验条件的改变,控制ZnO薄膜的掺杂,研究不同掺杂条件对薄膜结构与性能的影响具有重要意义。本文采用氧化法制备掺杂ZnO薄膜,研究制备方法(磁控溅射、热蒸发)、沉积条件(生长模式、成分)、氧化条件(氧化方式、氧化温度、氧化时间、氧化气氛、强磁场(HMF))等对薄膜掺杂的影响,最终达到通过掺杂控制ZnO薄膜的微观结构及性能的目的。对于Co掺杂ZnO(Co:ZnO)薄膜,研究氧化过程中共沉积、双层沉积、多层沉积的生长模式和强磁场对薄膜结构与磁性能的影响。对于Al掺杂ZnO(Al:ZnO)薄膜,研究薄膜成分和氧化温度、氧化时间、氧化气氛等氧化条件对薄膜结构和热电性能的影响。对于N掺杂ZnO(N:ZnO)薄膜,研究氧化方式、温度、时间等氧化条件,对薄膜结构和导电特性的影响。最终确定氧化法控制ZnO薄膜元素掺杂的途径和机理,得到以下结论:对于Co:ZnO薄膜,研究表明,共沉积、双层沉积、多层沉积三种生长模式中,共沉积薄膜表面粗糙度最小,比另外两种生长模式薄膜表面粗糙度低一个数量级,氧化后共沉积薄膜致密,磁化强度与双层沉积薄膜相比高15%,与多层薄膜相比高约45%。强磁场抑制了氧化过程中CoO等第二相的生成,施加强磁场后,共沉积薄膜饱和磁化强度增加50%多,矫顽力减小约27%;双层薄膜饱和磁化强度增加约50%,矫顽力减小约32%;多层薄膜饱和磁化强度增加6.5倍多,矫顽力减小约45%。对于Al:ZnO薄膜,成分研究,对比Al在1030℃(A1030)、1050℃(A11050)、1070℃(A11070)蒸镀薄膜表面形貌,A11030薄膜表面粗糙度较另外两种成分薄膜低40%多,在500℃下氧化3h得到的Al:ZnO薄膜,A11030薄膜形成以ZnO为主要物相的薄膜,且具有明显的半导体特性。A11030前驱体薄膜在0.12MPa纯O2气氛下500℃氧化3h后,薄膜表面粗糙度较0.1MPa(大气压)纯氧气氛下氧化薄膜下降近35%,功率因子高一个数量级,证明在正压纯氧条件下500℃下氧化薄膜性能最佳。对于N:ZnO薄膜,氧化方式的研究证明空气冷却的薄膜表面平整,表面大颗粒少,透光率与其他氧化方式相近。氧化温度的研究表明在300℃下氧化60min得到N:ZnO薄膜具有p-型导电特性,但此时薄膜仍存在一定量的剩余Zn及Zn3N2,薄膜可见光区透光率在40%左右,近红外光区透光率仅在50%左右。对氧化时间研究,薄膜表面大颗粒数量随着氧化时间的延长先增后减,400℃下氧化60min表面大颗粒最少,近红外光区透光率达到90%,但各氧化时间得到薄膜导电类型均为n-型。
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