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N-In共掺p型ZnO薄膜及p-n结的特性研究

作　者: 南貌
导　师: 孔春阳
学　校: 重庆师范大学
专　业: 光学工程
关键词: ZnO粉末靶射频磁控溅射离子注入退火 N-In共掺杂 p型ZnO p-n结
分类号: O475
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带(3.37eV)化合物半导体材料。具有较高的激子束缚能(室温下为60meV)和光增益系数320cm-1,是一种理想的短波长光电器件材料,在蓝紫光发光二极管(LEDs)和激光器(LDs)等领域有巨大的应用潜力。然而,要实现ZnO在光电器件领域的广泛应用,首先必须获得性能良好的n型和p型ZnO。通过掺入Al、Ga等元素可得到性能优异的n-ZnO,但是,由于受主元素在ZnO中较低的固溶度、较深的受主能级以及施主缺陷的自补偿等因素,很难制备出性能优异的p-ZnO。近年来,人们普遍认为N是实现ZnO薄膜p型掺杂最理想的受主元素,但由于氮的活性较差,与锌难于成键,并且N与N之间的排斥作用较强,导致无法实现较高浓度的掺杂。理论计算预测,通过与施主元素(Ga、Al、In)共掺杂可以进一步提高N的固溶度,因此,共掺杂技术已成为目前获得p型掺杂的主要途径。基于共掺有望制备出高载流子浓度和低电阻率的p-ZnO。本文在实验室原有p-ZnO掺杂的基础上,首次采用掺杂比例易控且操作简单的ZnO:In2O3混合粉末作为靶材,利用制膜技术成熟的射频磁控溅射法制备ZnO:In薄膜,继而通过对样品进行二次N离子注入,最后经退火处理,成功获得性能优异的N-In共掺的p-ZnO薄膜。本文借助XRD和SEM分别对样品的结晶质量和表面形貌进行检测分析,表明所有样品均具有良好的c轴择优取向,其中结晶质量最佳的样品对应的p型性能最优,发现退火时间对薄膜表面形貌有较大影响,退火时间过长会使薄膜发生重结晶,表面变得粗糙;利用X光电子能谱(XPS)分析N-In共掺ZnO薄膜中元素的化学键态。结果显示在p型ZnO薄膜内存在N-In键和N-Zn键,表明In掺杂可以促进N在ZnO薄膜中的固溶,有利于N元素在ZnO薄膜内形成受主能级;利用Ecopia HMS-3000型霍尔测试仪(Hall)分析了共掺ZnO薄膜的电学特性,研究认为退火工艺对ZnO薄膜的电学性能尤其是p型转变有重要影响,结果表明700°C退火45min时,薄膜具有最佳的p型导电性能,其载流子浓度高达4.04×1018cm-3 ,迁移率和电阻率分别为1.35cm2V-1s-1和1.15?cm。另外,发现共掺所得薄膜的载流子浓度较N掺杂高了两个数量级,并且电阻率也得到明显降低;对共掺薄膜进行紫外光透射谱分析,发现所制备的样品在可见光范围内有很高的透射率,最高可达90%。其常温下的禁带宽度为3.2 eV,相对本征ZnO的禁带宽度略有减小。最后,在实现性能稳定且可控的p型ZnO薄膜基础上制备出p-ZnO(In,N)/n-ZnO:In同质p-n结,以In-Ga合金作为接触电极,测试ZnO同质结的I-V曲线,表现出明显的整流特性,其正向开启电压在2.2V左右,反向击穿电压在4.9V左右。

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-10
1 文献综述  10-27
  1.1 引言  10
  1.2 ZnO 薄膜的结构与性能  10-15
    1.2.1 ZnO 的基本性质  11-13
    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 薄膜的缺陷和掺杂  15-21
    1.3.1 ZnO 的缺陷  15-16
    1.3.2 ZnO 的n 型掺杂  16
    1.3.3 ZnO 的p 型掺杂  16-21
  1.4 ZnO 薄膜的制备技术  21-23
  1.5 ZnO 薄膜的应用  23-25
    1.5.1 发光器件  23
    1.5.2 紫外光电探测器  23-24
    1.5.3 太阳能电池  24
    1.5.4 制作光电器件的单片集成  24
    1.5.5 ZnO 材料的其他应用  24-25
  1.6 本文的立题依据、研究内容及创新点  25-27
    1.6.1 立题依据  25
    1.6.2 研究内容  25-26
    1.6.3 本文的创新点  26-27
2 实验设备、过程及性能表征  27-39
  2.1 射频磁控溅射  27-30
    2.1.1 实验设备  27-28
    2.1.2 射频磁控溅射的基本原理  28-30
    2.1.3 溅射镀膜的主要特点  30
  2.2 离子注入技术  30-34
    2.2.1 离子注入的基本原理及装置简介  31-32
    2.2.2 入射离子在靶中的浓度分布  32-34
    2.2.3 离子注入技术的特点  34
  2.3 退火(热处理)  34-35
  2.4 薄膜的制备工艺  35-37
    2.4.1 靶材制备与衬底清洗  35-36
    2.4.2 薄膜制备工艺流程  36-37
    2.4.3 薄膜制备参数  37
  2.5 薄膜性能表征  37-39
3 N-In 共掺ZnO 薄膜的p 型特性  39-51
  3.1 N-In 共掺p-ZnO 薄膜的晶体质量  39-41
  3.2 N-In 共掺p-ZnO 薄膜中元素成分的XPS 分析  41-43
  3.3 N-In 共掺p-ZnO 薄膜的电学特性  43-46
  3.4 N-In 共掺p-ZnO 薄膜的光学特性  46-48
  3.5 N-In 共掺ZnO 同质p-n 结的制备  48-50
  3.6 本章小结  50-51
4 结论  51-52
参考文献  52-58
攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况  58-59
致谢  59

N-In共掺p型ZnO薄膜及p-n结的特性研究

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