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p型ZnO：Al-N薄膜的制备及物性研究

作　者: 梁薇薇
导　师: 孔春阳
学　校: 重庆师范大学
专　业: 理论物理
关键词: 射频磁控溅射离子注入 N-Al共掺杂退火 p型ZnO
分类号: TN304.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

ZnO是一种具有优异特性的宽禁带半导体材料。由于ZnO在室温下为具有很高的激子束缚能(60meV)，高于其它宽禁带半导体材料（如GaN为21meV，ZnSe为20meV，也远高于室温热能26meV），激子增益也可达到320cm-1，ZnO薄膜是一种透明的导电膜，在太阳能电池中的透明电极和窗口材料方面有广泛的应用前景。为了实现ZnO在发光器件领域的实际应用，必须制备出晶体质量良好n型和p型薄膜，在此基础上制备ZnO的同质pn结。由于ZnO中的本征缺陷(Zni和Vo)的形成能很低，所以天然的ZnO为n型半导体材料，本征缺陷对受主有很强的自补偿作用，导致ZnO的p型实现的困难。目前通过Al、In、Ge等元素的掺杂，已经制备出了各方面性能均良好的n型ZnO薄膜；然而p型ZnO薄膜的制备与研究中仍存在着很大的问题，例如稳定性、可重复性以及载流子浓度低等。在各种受主掺杂元素中，普遍认定N元素是实现p型ZnO的最佳受主掺杂元素,理论上表明通过对ZnO薄膜进行施主元素(Ga、Al、In)和受主元素(N)的共同掺杂，既能提高N在薄膜中的固溶度，又能实现更浅的受主能级。本文正是基于共掺杂理论，以石英玻璃为衬底，利用射频磁控溅射结合离子注入的方法，再通过退火处理，成功的制备出性能良好的p型ZnO:Al-N薄膜。借助飞利浦MRD型X衍射仪，其X射线发射源为CuKα1(λ=0.154178nm)、EcopiaHMS-3000型霍尔测试仪分析了不同的退火对ZnO薄膜的结构及薄膜的p型转变的影响，实验表明在氮气环境下对样品进行退火时，退火的温度和时间对薄膜的导电类型有很大的影响，退火温度介于500-600℃之间时，同时退火时间控制在3-10min以内，可以获得p型ZnO薄膜，其中，经过578℃退火8min的ZnO薄膜具有较好的结晶度，且p型导电性能最佳，空穴浓度达到5.66×1018cm-3，迁移率和电阻率分别为0.53cm2V-1s-1和2.08cm。通过对实验数据的进一步处理和研究，绘出了本实验条件下ZnO薄膜p型转变随退火温度和退火时间变化的分布情况，为进一步优化工艺，进而制备具有更高性能和良好稳定性的p型ZnO薄膜提供重要的参考价值。X光电子能谱（XPS）分析显示在p型ZnO薄膜里存在N-Al键和N-Zn键，表明Al掺杂可以促进N在ZnO薄膜的固溶，有利于N元素在ZnO薄膜形成受主能级，且薄膜的p型导电与复合体(AlZn+2NO)的存在有着密切关系。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
1 研究背景和意义  11-25
  1.1 引言  11-12
  1.2 ZnO 薄膜的性质  12-15
    1.2.1 ZnO 的基本性质  12-13
    1.2.2 ZnO 的光电特性  13-14
    1.2.3 ZnO 的其他性质  14-15
  1.3 ZnO 薄膜的缺陷  15-16
    1.3.1 ZnO 的点缺陷  15-16
    1.3.2 ZnO 的线缺陷和堆垛层错  16
  1.4 ZnO 薄膜的应用  16-17
    1.4.1 ZnO 光电器件方面的应用  16-17
    1.4.2 ZnO 在压敏和气敏器件方面的应用  17
  1.5 ZnO 薄膜的掺杂及其研究进展  17-22
    1.5.1 ZnO 的 n 型掺杂  17
    1.5.2 ZnO 的 p 型掺杂  17-22
  1.6 本文的立题依据、研究内容及创新点  22-25
    1.6.1 立题依据  22-23
    1.6.2 研究内容  23-24
    1.6.3 本文的创新点  24-25
2 薄膜的制备  25-35
  2.1 ZnO 薄膜制备方法  25-28
    2.1.1 化学气相沉积(CVD)  25
    2.1.2 溶胶凝胶（Sol-Gel）  25-26
    2.1.3 分子束外延(MBE)16  26
    2.1.4 真空蒸发法16  26-27
    2.1.5 激光脉冲沉积(PLD)法  27
    2.1.6 喷雾热解（SprayPyrolysis）  27-28
    2.1.7 溅射镀膜发  28
  2.2 射频磁控溅射的原理  28-32
    2.2.1 实验设备  28
    2.2.2 射频溅射  28-30
    2.2.3 磁控溅射  30-31
    2.2.4 射频磁控溅射  31-32
  2.3 薄膜的制备  32-34
    2.3.1 靶材及衬底的制备  32-33
    2.3.2 薄膜的沉寂过程  33
    2.3.3 制备薄膜的基本参数  33-34
  2.4 小结  34-35
3 N 离子注入、退火及性能表征  35-45
  3.1 离子注入的原理  35-37
    3.1.1 离子注入装置简介  35-36
    3.1.2 离子注入的特点  36-37
    3.1.3 离子注入的优缺点  37
  3.2 热处理(退火)  37-38
  3.3 薄膜的性能表征  38-43
    3.3.1 X射线衍射（XRD）分析  38-39
    3.3.2 霍尔(Hall)测试  39-41
    3.3.3 X光电子能谱基本原理  41-43
  3.4 小结  43-45
4 退火对N离子注入ZnO:Al薄膜p型转变的影响  45-52
  4.1 退火对薄膜结构的影响  45-46
  4.2 退火对薄膜电学性能的影响  46-49
    4.2.1 不同Al含量的电学参数  46
    4.2.2 ZnO:Al-N薄膜的电学性能  46-49
  4.3 p型ZnO:Al-N薄膜的稳定性  49-51
  4.4 小结  51-52
5 ZnO:Al-N薄膜的特性分析  52-61
  5.1 ZnO:Al-N薄膜的XPS分析  52-57
  5.2 ZnO:Al-N薄膜的PL谱分析  57-59
  5.3 ZnO:Al-N薄膜的Raman谱分析  59-60
  5.4 小结  60-61
6 结论与展望  61-63
  6.1 主要结论  61-62
  6.2 后续工作与展望  62-63
参考文献  63-69
致谢  69-70
附录  70

p型ZnO：Al-N薄膜的制备及物性研究

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