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NiO/ZnO基半导体异质结及MgNiO固溶体薄膜的制备与性能研究

作　者: 杨治国
导　师: 朱丽萍
学　校: 浙江大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 射频磁控溅射 NiO/ZnO异质结价带带阶 MgxNi1-xO薄膜日盲区 X射线光电子能谱
分类号: TN304.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

ZnO作为一种新型的直接宽带隙光电半导体材料,具有3.37eV的禁带宽度,且其激子束缚能高达60meV,使得ZnO成为制备蓝/紫外光光电器件的最有前景的材料,然而如何实现高效、稳定、可靠、可重复制备的p型ZnO薄膜成为研究最大的难点。NiO薄膜是一种直接禁带半导体,禁带宽度为3.7eV,是一种典型的p型半导体,是可与ZnO形成异质结来制备半导体光电器件的非常合适的材料。日盲区紫外探测器在军事、民用领域有广泛应用。常见的Al_xGa_1-xN和Mg_xZn_1-xO体系的紫外探测器由于各自的缺点很难进一步提高性能。而由于NiO和MgO晶体结构的一致和晶格常数的相似,因而可以获得高性能的Mg_xNi_1-xO固溶体薄膜,且其带宽连续可调。本文采用射频磁控溅射制备和研究了NiO和ZnO薄膜,选择合适的生长条件,制备NiO/ZnO基异质结,研究了其能带结构,并测量其I-V特性曲线。我们也制备和研究了不同Mg含量的MgNiO固溶体薄膜。具体工作如下：（1）NiO、ZnO薄膜及NiO/ZnO基异质结的制备与研究。采用射频磁控溅射制备p型NiO薄膜和n型ZnO薄膜,研究了在不同生长参数下生长的NiO、ZnO薄膜的性能。研究表明350℃是得到良好电学性能的p型NiO薄膜的合适温度。较低的氧含量下,薄膜的电导率与氧分压的1/4幂成正比。在550℃时生长的ZnO薄膜的电学性能最好,450℃时则具有最好的结晶性能。通过XPS测量得到NiO/ZnO异质结价带带阶为1.47eV,并计算得到导带带阶为1.8eV,具有type-Ⅱ型的能带结构。I-V测试表明异质结具有明显的整流特性,表明成功制备了p-n异质结。（2）采用射频磁控溅射在石英衬底上制备了Mg_xNi_1-xO（x=0.25～0.56）薄膜,研究了溅射功率、衬底温度、Mg组分对Mg_xNi_1-xO薄膜性能的影响。XRD结果表明Mg_xNi_1-xO是具有（111）择优取向的立方NaCl结构晶体。紫外可见透射光谱测试表明薄膜吸收截止波长随着Mg含量的增大而蓝移。薄膜中Mg含量达46%时,带宽已进入日盲区范围。XPS测试显示制备得到了典型的Mg_xNi_1-xO固溶体,没有出现明显的分相。研究结果表明Mg_xNi_1-xO是制备日盲区紫外探测器很有前景的材料。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第一章引言  11-13
第二章文献综述  13-29
  2.1 NiO结构与性质  13-16
    2.1.1 NiO的结构  13-14
    2.1.2 NiO的电学性质  14-15
    2.1.3 NiO薄膜的气敏性质  15-16
    2.1.4 NiO薄膜的电致变色性能  16
  2.2 ZnO结构与性质  16-21
    2.2.1 ZnO的结构  17-19
    2.2.2 ZnO的光电性质  19-20
    2.2.3 ZnO的其他性质  20-21
  2.3 薄膜制备方法  21-23
    2.3.1 磁控溅射  21-22
    2.3.2 脉冲激光沉积  22
    2.3.3 金属有机化学气相沉积  22
    2.3.4 分子束外延技术  22-23
  2.4 NiO/ZnO基异质结研究进展  23-25
  2.5 日盲区紫外探测器研究进展  25-27
  2.6 选题依据和研究内容  27-29
第三章实验设备及原理、实验过程及性能表征  29-35
  3.1 实验设备及原理  29-32
    3.1.1 实验设备  29-30
    3.1.2 射频磁控溅射原理  30-32
  3.2 实验过程  32-34
    3.2.1 靶材的制备  32-33
    3.2.2 衬底及其清洗  33
    3.2.3 薄膜的制备过程  33-34
  3.3 性能表征  34-35
第四章 NiO和ZnO薄膜的制备与性能研究  35-59
  4.1 p型NiO薄膜的制备与研究  35-53
    4.1.1 溅射功率对NiO薄膜特性的影响  35-39
      4.1.1.1 溅射功率对NiO薄膜表面形貌的影响  35-36
      4.1.1.2 溅射功率对NiO薄膜结构性能的影响  36-37
      4.1.1.3 溅射功率对NiO薄膜电学性能的影响  37-38
      4.1.1.4 溅射功率对NiO薄膜光学性能的影响  38-39
    4.1.2 衬底温度对NiO薄膜特性的影响  39-44
      4.1.2.1 衬底温度对NiO薄膜表面形貌的影响  39-40
      4.1.2.2 衬底温度对NiO薄膜结构性能的影响  40-41
      4.1.2.3 衬底温度对NiO薄膜电学性能的影响  41-43
      4.1.2.4 衬底温度对NiO薄膜光学性能的影响  43-44
    4.1.3 沉积压强对NiO薄膜特性的影响  44-47
      4.1.3.1 沉积压强对NiO薄膜表面形貌的影响  45
      4.1.3.2 沉积压强对NiO薄膜结构的影响  45-47
      4.1.3.3 沉积压强对NiO薄膜电学性能的影响  47
    4.1.4 生长气氛中氧氩比对NiO薄膜特性的影响  47-52
      4.1.4.1 氧氩比对NiO薄膜表面形貌的影响  48-49
      4.1.4.2 氧氩比对NiO薄膜结构的影响  49
      4.1.4.3 氧氩比对NiO薄膜电学性能的影响  49-52
      4.1.4.4 氧氩比对NiO薄膜光学性能的影响  52
    4.1.5 小结  52-53
  4.2 n型ZnO薄膜的制备与研究  53-59
    4.2.1 溅射功率对ZnO薄膜特性的影响  53-55
    4.2.2 衬底温度ZnO薄膜特性的影响  55-58
    4.2.3 小结  58-59
第五章 NiO/ZnO基异质结的能带结构及电学性能研究  59-68
  5.1 NiO/ZnO异质结能带带阶的测量与能带图的研究  59-65
    5.1.1 利用XPS测试异质结能带带阶的原理  60-61
    5.1.2 实验样品的制备与XPS分析  61-64
    5.1.3 NiO/ZnO异质结能带图  64-65
    5.1.4 小结  65
  5.2 NiO/ZnO基异质结的制备与I-V性能表征  65-68
    5.2.1 NiO/ZnMgO/ZnO结构异质结的制备  65-66
    5.2.2 NiO/ZnMgO/ZnO结构异质结的I-V性能测试  66-68
第六章 Mg_xNi_(1-x)O固溶体薄膜的制备及紫外探测性能研究  68-80
  6.1 溅射功率对MgNiO薄膜特性的影响  68-69
    6.1.1 溅射功率对MgNiO薄膜表面形貌的影响  68
    6.1.2 溅射功率对MgNiO薄膜结构性能的影响  68-69
  6.2 衬底温度对MgNiO薄膜特性的影响  69-71
    6.2.1 衬底温度对MgNiO薄膜表面形貌的影响  69-70
    6.2.2 衬底温度对MgNiO薄膜结构性能的影响  70-71
  6.3 Mg组分对MgNiO薄膜特性的影响  71-74
    6.3.1 Mg组分对MgNiO薄膜表面形貌的影响  71-72
    6.3.2 Mg组分对MgNiO薄膜结构性能的影响  72
    6.3.3 Mg组分对MgNiO薄膜光学禁带宽度的调节  72-74
  6.4 MgNiO薄膜的XPS分析  74-76
  6.5 MgNiO薄膜禁带宽度与Mg含量关系曲线拟合  76-77
  6.6 MgNiO薄膜电学性能测试  77-78
  6.7 小结  78-80
第七章结论  80-82
参考文献  82-91
致谢  91-92
个人简历  92-93
攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果  93

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料 > 化合物半导体
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