Li、Na与Mg共掺杂ZnO薄膜的制备与性质研究

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ZnO是一种重要的功能材料和Ⅱ-Ⅵ族直接间隙宽禁带半导体材料,其结晶态为六角形纤锌矿结构,具有良好的机电偶合性能,室温时禁带宽度3.37eV,激子束缚能为60meV。目前,ZnO薄膜在表面声波器件、太阳能电池、气敏和压敏器件等很多方面得到了较为广泛的应用,在紫外探测器、LED、LD等诸多领域也有着巨大的开发潜力,而且ZnO薄膜的许多制作工艺与集成电路工艺相容,可与硅等多种半导体器件实现集成化,因而备受人们重视,具有广阔的应用前景。对于ZnO半导体材料,晶体结构中的本征缺陷及掺杂都能显著影响其电子结构和能带结构,从而对其导电性能、发光性能、化学敏感及磁性产生较大改变。近来有报道称Mg2+等能够对ZnO进行有效的掺杂,其禁带宽度增大。对于Ⅰ族元素掺杂的研究也取得了一定的进展。本论文以ZnO薄膜在紫外探测器、SAW器件的要求出发,并以在太阳能电池、光电以及集成器件上的应用作为背景,采用Sol-gel法制备掺杂的ZnO薄膜,对ZnO薄膜进行Mg和Ⅰ族元素Li、Na的共掺杂,研究不同碱金属掺杂和工艺参数对ZnO薄膜的结构、光学性能等的影响,通过不同的镀膜工艺和不同的热处理方法来优化掺杂ZnO薄膜的实际应用性能,意图找出最佳的工艺条件,掌握工艺规律。实验中,我们制备出c轴择优取向性良好,表面平整,颗粒均匀的,适用于表面声波元件的(Li,Mg):ZnO薄膜,并且Li重掺杂的(Li,Mg):ZnO薄膜适用于制作蓝光发光材料;(Na,Mg):ZnO薄膜的c轴择优取向也很好,而且轻掺杂Na的(Na,Mg):ZnO薄膜具有很好的紫外发光特性,能够制造紫色发光材料和紫外探测器。并通过对两种薄膜发光性质的分析,发现Li在薄膜的晶体中是以深受主的形式存在的,在重掺杂的情况下成为替位原子;Na在轻掺杂的薄膜中,对薄膜的发光性质不产生影响,当掺杂浓度增加时,进入锌空位成为替位原子,产生大量氧空位,使绿光发光峰出现。
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