氧化锌薄膜及其掺杂特性

论文摘要

氧化锌（ZnO）作为宽禁带Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,因其室温下高达60meV的激子束缚能而具有优良的光电性能,并受到了人们的广泛关注。ZnO在透明导电薄膜（transparent conducting films）、表面声波器件（surface acoustic wave devices）及短波长发光器件（short wabelength photonic devices）等诸多方面有广阔的应用前景。然而,由于本征ZnO呈弱n型导电,其电导率、载流子浓度及光致发光等各项性能还不能达到器件开发水平,因此常常通过掺杂一定浓度的特定元素来提高相应的性能。对于ZnO来说,高质量的n型ZnO薄膜比较容易制备,而由于自补偿效应,性能稳定的p型ZnO薄膜的制备则比较困难。本文分别采用脉冲激光沉积技术（PLD）掺杂A1元素制备了高质量的n型ZnO：Al薄膜；采用空心阴极离子镀技术（HCD）掺杂N元素制备了p型ZnO：N薄膜。开展的具体工作如下：1、利用PLD技术,在石英玻璃基体上分别制备了不同A1掺杂浓度的ZnO薄膜,（基体温度为200℃）,经XRD和场发射扫描形貌（FESEM）检测发现,ZnO：Al薄膜的（002）取向随着Al掺杂浓度的增加而减弱。光致发光（PL）谱显示,A1的掺杂可使ZnO变成单纯的紫外受激发射,并有效抑制ZnO的深能级发光。2、在200℃基体温度下沉积的ZnO:Al （2.0wt.%Al）薄膜的电阻率最低,载流子浓度和迁移率较高,并且呈单纯紫外发射,只比未掺杂的ZnO薄膜的紫外光发射强度略低,并未见可见光发射。在可见光波段的透光率高于80%。3、不同基体温度（100-250℃）下制备的ZnO：A1薄膜均具有较高的光学透光率,并且200℃时的吸收边明显蓝移。4、利用HCD技术以纯ZnO薄膜为基体,在200℃基体温度的N2气氛下沉积60min的ZnO:N薄膜具有较好的结晶质量,XPS谱表明N原子在ZnO中有较高的掺杂浓度。Hall效应测量数据显示,该条件下制备的ZnO：N薄膜电阻率低达0.1039Ω·cm,载流子浓度高达2.86×1020 cm-3,并且呈p型导电。5、利用HCD技术以纯Zn为靶材,在N20气氛下制备的ZnO：N薄膜有较好的结晶质量和较高的N掺杂浓度,但载流子浓度仅为6.5×1011cm-3,该薄膜呈n型导电特性。对比发现,以N2为掺杂源制备的ZnO:N薄膜的电学性能相对较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 ZnO的结构与性质
• 1.2.1 ZnO的结构
• 1.2.2 ZnO的电学性质
• 1.2.3 ZnO的光学性质
• 1.3 ZnO薄膜的研究进展与应用
• 1.3.1 研究进展
• 1.3.2 应用前景
• 1.4 掺杂对ZnO结构及性能的影响
• 1.5 ZnO薄膜的制备方法
• 1.5.1 分子束外延法（MBE）
• 1.5.2 磁控溅射技术（Magnetron Sputtering）
• 1.5.3 金属有机物气相外延（MOCVD）
• 1.5.4 溶胶-凝胶技术（Sol-gel）
• 1.5.5 脉冲激光沉积法（PLD）
• 1.5.6 空心阴极离子镀（Hollow Cathode Deposition）
• 1.6 本论文的选题依据和研究内容
• 1.6.1 选题依据
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 实验方法及工艺研究
• 2.1 实验设备
• 2.1.1 脉冲激光沉积系统
• 2.1.2 空心阴极离子镀设备
• 2.2 实验材料
• 2.3 实验方案
• 2.3.1 利用脉冲激光沉积法制备ZnO:Al薄膜
• 2.3.2 空心阴极离子镀沉积N掺杂ZnO薄膜
• 2.4 ZnO薄膜的表征方法
• 2.4.1 X射线衍射谱（XRD）
• 2.4.2 场发射扫描电镜（FESEM）
• 2.4.3 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.4.4 霍尔效应（Hall Effect）
• 第三章 脉冲激光法沉积ZnO:Al薄膜
• 3.1 引言
• 3.2 Al掺杂ZnO薄膜结构特性
• 3.3 Al掺杂ZnO薄膜的光学性能
• 3.3.1 发光特性
• 3.3.2 透光性能
• 3.4 Al掺杂ZnO薄膜的电学特性
• 3.5 基体温度对晶体结构和透光性能的影响
• 3.6 基体温度对发光特性的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 空心阴极离子镀技术沉积N掺杂ZnO薄膜
• 4.1 引言
• 4.2 P型ZnO薄膜的制备工艺
• 4.2.1 镀膜设备
• 4.2.2 实验过程
• 2为活性气体沉积P型ZnO薄膜'>4.3 以N₂为活性气体沉积P型ZnO薄膜
• 4.3.1 样品的表面形貌分析
• 4.3.2 X射线光电子谱分析
• 4.3.3 霍尔效应测量
• 2O为活性气体沉积P型ZnO薄膜'>4.4 以N₂O为活性气体沉积P型ZnO薄膜
• 4.4.1 场发射扫描形貌分析
• 4.4.2 X射线光电子能谱分析
• 4.4.3 霍尔效应检测
• 4.5 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间研究成果