N掺杂p型MgxZn1-xO薄膜的制备及相关问题的研究

论文摘要

纤锌矿结构的MgxZn（1-x）O具有与ZnO相似的结构和光学特性,并且其带隙在一定范围内连续可调,近年来被看作是ZnO基LED的合适垒层材料。目前,人们已经能够制备出达到光电子器件要求的n型MgZnO合金薄膜。然而,p型MgZnO制备的研究进展却十分缓慢。在所有掺杂元素中,N被看作是ZnO或MgZnO比较适宜的p型掺杂元素。近十几年来,人们利用各种N源、掺杂方法和生长技术开展了N掺杂p型MgznO的研究工作,并取得了一定的成绩。但,仍存在着电阻率高、空穴载流子浓度低、迁移率低、稳定性差等问题。这主要是因为N的p型掺杂效率很低,通常N源在掺杂时会形成No受主,同时也会形成（N2）0施主,对N受主进行自补偿,使电学性能下降,另一方面使薄膜晶体质量变差。可见,减少N2,增加激活N原子的掺杂,即提高N的有效p型掺杂,对提高p型MgZnO的电学性能至关重要。然而N的含量和化学状态在样品中很难表征,另外Mg的加入是否能提高N的掺杂浓度也一直是人们关心的问题。本论文针对目前MgZnO研究中的热点,展开了一系列工作,取得的成果如下：（1）采用磁控溅射技术,选用高纯的N2和Ar作为溅射气体,通过改变氮流量比调节生长条件,在石英衬底上制备N掺杂p型ZnO薄膜。通过对薄膜性能的研究表明,随着氮流量比的增加,薄膜中No与（N2）o的掺杂浓度在变大。当氮流量比为20%时,得到电学性质最好的N掺杂p型ZnO薄膜,电阻率为20.54f2cm,迁移率为5.69cm2v-1s-1,空穴载流子浓度为5.49×1016cm-3。同时我们发现,随着薄膜中N含量的增加,吸收边在红移。（2）利用射频磁控溅射技术,用高纯的N2和Ar作为溅射气体,通过改变氮流量比改变薄膜的生长条件,结果在氮流量比为20%时,经600℃真空退火30分钟,在石英衬底上制备出电阻率为21.47Ωcm,hall迁移率为3.45 cm2/Vs,载流子浓度为8.38×1016cm-3p型Mg0.07Zn0.93O薄膜。在n型Si上沉积一层该薄膜制成异质结,异质结的Ⅰ-Ⅴ特性曲线表明该异质结具有良好的p-n结整流特性。通过研究退火温度对氮流量比为20%条件下的N2/Ar混合气氛溅射制备的N掺杂MgZnO薄膜性能的影响,发现随着退火温度的升高,晶体质量不断提高；薄膜的导电性从n型变p型,最后又转变成弱p型,在中间退火温度600℃时,表现最好的p型导电性质。（3）采用磁控溅射技术,以高纯的N2和Ar为溅射气体,分别用ZnO、Mg0.04Zn0.96O、Mg0.08Zn0.92O陶瓷靶,在石英衬底上生长N掺杂MgxZn（1-x）O薄膜。通过对薄膜性能的研究发现：在N掺杂的过程中,Mg的合金化对N的掺杂浓度和状态有一定的影响。随着Mg含量的增加,No的固溶度在降低,在N和O的化学势相同的条件下,Mg含量对No的固溶度起决定作用。同时,在相同的制备过程中,在N和O的化学势相同的条件下,Mg含量可以影响N的化学状态,在低Mg含量时,薄膜中可能会有No与（N2）o同时存在,在高Mg含量时,薄膜中只存在（N2）o一种形式。（4）研究了N掺杂ZnO和N掺杂MgxZn（1-x）O的Raman光谱,发现除ZnO的Raman振动模外有位于272、642cm-1的振动峰出现,并且随着氮流量比的增加,这两个峰以及位于580cm-1的振动峰峰强会增强。在相同氮流量比的条件下制备不同Mg含量的MgxZn（1-x）O:N薄膜,当Mg含量增加时,Raman光谱中位于272、642、580cm-1的振动峰峰强会减弱,同时XPS测试表明：No的含量在减少。通过对Raman和XPS的测试结果分析,可以推断位于272cm-1左右的这些新的振动模式只与No有关,与（N2）0无关。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 ZnO材料的基本性质与研究进展
• 1.1.1 ZnO材料的基本性质
• 1.1.2 ZnO材料的研究热点及其进展
• 1.2 MgZnO合金材料的基本性质与研究进展
• 1.2.1 MgZnO材料的基本性质
• 1.2.2 p型MgZnO合金材料的研究进展
• 1.2.3 MgZnO/ZnO超晶格和量子阱的研究进展
• 1.3 MgZnO材料研究中存在的主要问题
• 1.4 论文的选题依据和研究内容
• 参考文献
• 第2章 MgZnO薄膜的制备技术和表征手段
• 2.1 MgZnO薄膜的生长设备
• 2.1.1 磁控溅射技术
• 2.1.2 退火设备
• 2.2 MgZnO薄膜的表征手段
• 2.2.1 X射线衍射谱（XRD）
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）和X射线能量谱仪（EDS）
• 2.2.3 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.2.4 霍尔效应测量
• 2.2.5 微区光致发光谱（PL）
• 2.2.6 吸收和透射光谱
• 2.2.7 拉曼光谱
• 参考文献
• 第3章 N掺杂p型ZnO薄膜的制备和性能研究
• 3.1 N掺杂ZnO薄膜的制备
• 3.2 N掺杂ZnO薄膜的结构表征
• 3.3 氮流量比对ZnO薄膜中N的含量及化学状态的影响
• 3.4 氮流量比对ZnO薄膜电学性质的影响
• 3.5 氮流量比对ZnO薄膜光学性质的影响
• 3.5.1 氮流量比对ZnO薄膜光学带隙的影响
• 3.5.2 氮流量比对ZnO薄膜光致发光光谱的影响
• 3.5.3 氮流量比对ZnO薄膜Raman光谱的影响
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第4章 N掺杂p型MgZnO薄膜的制备和性能研究
• 4.1 N掺杂MgZnO薄膜的制备
• 4.2 N掺杂p型MgZnO薄膜的性能研究
• 4.2.1 N掺杂MgZnO薄膜的组分和结构表征
• 4.2.2 N掺杂MgZnO薄膜的电学性质
• 4.2.3 N掺杂MgZnO薄膜的Raman光谱分析
• 4.2.4 N掺杂p型MgZnO薄膜的光学性质分析
• 4.3 退火温度对N掺杂MgZnO薄膜性能的影响
• 4.3.1 薄膜制备
• 4.3.2 退火温度对N掺杂MgZnO薄膜电学性质的影响
• 4.3.3 退火温度对N掺杂MgZnO薄膜结构的影响
• 4.3.4 退火温度对N掺杂MgZnO薄膜拉曼光谱的影响
• 4.3.5 退火温度对N掺杂MgZnO薄膜光致发光光谱的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第5章 Mg含量对N掺杂MgZnO的掺杂行为和电学性能的影响规律和机制
• 5.1 Mg含量对未掺杂MgZnO薄膜性能的影响
• 5.1.1 未掺杂MgZnO薄膜的制备
• 5.1.2 MgZnO薄膜的结构表征
• 5.1.3 MgZnO薄膜的电学性质
• 5.1.4 MgZnO薄膜的光学性质研究
• xZn_1xO薄膜性能的影响'>5.2 Mg含量对N掺杂Mg_xZn_1xO薄膜性能的影响
• 5.2.1 样品的制备
• 1-XO薄膜结构的影响'>5.2.2 Mg对N掺杂MgXZn_1-XO薄膜结构的影响
• xZn_1xO薄膜电学性能的影响'>5.2.3 Mg对N掺杂Mg_xZn_1xO薄膜电学性能的影响
• xZn_1-xO薄膜的Raman光谱的影响'>5.2.4 Mg对N掺杂Mg_xZn_1-xO薄膜的Raman光谱的影响
• xZn_1-xO薄膜的X射线光电子能谱分析'>5.2.5 N掺杂Mg_xZn_1-xO薄膜的X射线光电子能谱分析
• xZn_1-xO薄膜的N的掺杂浓度和化学状态的影响'>5.2.6 Mg对N掺杂Mg_xZn_1-xO薄膜的N的掺杂浓度和化学状态的影响
• 参考文献
• 第6章 结论
• 攻读博士期间发表的学术论文
• 致谢
• 作者简介