N,Ag单掺杂p型ZnO薄膜的制备与特性研究

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氧化锌(ZnO)是II-VI族直接宽禁带化合物半导体材料,呈六方纤锌矿结构,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能高达60meV,是同为第三代半导体材料氮化镓(GaN,约为25meV)的2倍,并具有较高的激子增益(320cm-1)。因此,ZnO在蓝/紫外发光二极管(LEDs)、激光器(LDs)以及紫外探测器等光电领域有着巨大的应用潜力。要实现ZnO在光电子领域的广泛应用,首先必须解决的问题是如何制备出高质量稳定可重复的n和p型ZnO材料。众所周知,ZnO的p型掺杂呈现非对称性(即“单极性”),通过掺杂Ⅲ族元素(如Al,Ga,In等)很容易制备出性能优越的n型ZnO透明导电薄膜。然而,由于ZnO的背景电子浓度较大(主要由VO、Zni等本征施主缺陷产生),且通常情况下受主掺杂剂的固溶度较低,以及受主能级较深等因素导致ZnO难于实现p型掺杂。迄今为止,制备出高质量稳定可重复的p型ZnO依然是实现ZnO基光电器件化的关键。目前,人们在研究如何得到稳定的p型ZnO的同时,也试图找出p型ZnO不稳定的根源,这是目前亟待解决的前沿课题。本文研究的重点及核心便是探索阻碍ZnO材料实现p型转变和导致p型不稳定的因素。本文研究了ZnO:N薄膜的拉曼及光电特性,重点探讨了影响ZnO:N薄膜的p型稳定性的外在和内在因素。实验中采用电子束蒸发技术在石英衬底上制备ZnO薄膜,以N离子注入的方式及后期退火处理实现N掺杂ZnO薄膜。借助拉曼散射光谱、透射光谱和霍尔测试等手段对薄膜经行表征。结果表明:所有样品均呈现ZnO纤锌矿结构,在ZnO:N薄膜拉曼光谱中发现与N相关的振动模式(位于272.5、505.1和643.6cm-1),分析表明N已掺入ZnO薄膜中;霍尔测试表明,通过适当退火处理后,ZnO:N薄膜向p型转变,其空穴浓度为7.73×1017cm-3,迁移率为3.46cm2V-1s-1,电阻率为2.34cm。然而,长期进行霍尔跟踪测试发现,ZnO:N薄膜的p型性能随时间并不稳定,结合拉曼散射光谱和第一性原理计算分析认为由于p-ZnO:N薄膜中存在残余压应力,同时薄膜中还出现了易补偿空穴的施主缺陷(N2)O是p型不稳定的重要原因。本文还研究了Ag含量对ZnO薄膜的结构及光电特性的影响,研究给出了ZnO:Ag薄膜实现p型的实验条件。实验中采用射频磁控溅射法在石英衬底上制备ZnO:Ag薄膜。借助X射线衍射仪、透射光谱、霍尔测试和拉曼散射光谱等手段研究了Ag含量对ZnO:Ag薄膜的结构及光电性质的影响。在室温拉曼光谱中检测到Ag诱导产生的局域振动模型LVMZn-Ag(230.0cm-1)和LVMAg-O(394.5cm-1),分别对应于缺陷Ag+O和缺陷Ag+Zn。结合霍尔测试研究了施主缺陷AgO+和受主缺陷AgZn+对ZnO:Ag薄膜电学性质的影响。结果表明,富O条件下易抑制施主缺陷AgO+的形成,增强受主缺陷AgZn+的形成。并在富O条件下通过优化退火条件成功制备出p型ZnO:Ag薄膜。
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