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掺杂型ZnO光电功能薄膜的制备及机理的研究

王娟  
【摘要】: ZnO是一种宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,激子结合能达60meV,具有良好的光电性能。在可见光区域内有较大的透光率,一般大于80%。ZnO薄膜的外延生长温度较低,有利于降低设备成本,抑制固相外扩散,提高薄膜质量,也易于实施掺杂。 采用溶胶-凝胶法和浸渍提拉法成功制备了Al掺杂n型ZnO薄膜和Al-N共掺p型ZnO薄膜。用X-射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、分光光度计、霍尔(Hall)测量仪,分别研究了Al掺杂和Al-N共掺杂的掺杂浓度、薄膜厚度和热处理温度对两种薄膜的结晶性能、微观形貌和光电性能的影响。用原子力显微镜(AFM)和X光电子能谱(XPS),研究了Al-N共掺的掺杂机理。 结果表明:在基质ZnO溶胶浓度为0.5mol/L,Al掺杂摩尔浓度为5%,薄膜层数为8层,热处理温度600℃下,AZO薄膜的结晶性能、微观形貌和光电性能最佳。AZO薄膜透光率在80%以上,电阻率为2.1×102?·cm,霍尔迁移率0.23cm2/V·s,载流子浓度7.81×1014cm-3。 在基质ZnO溶胶浓度为0.5mol/L,以Al与N摩尔数比为1:1(简写Al:N),Al-N掺杂摩尔浓度为10%,薄膜层数为8层,热处理温度600℃下,Al-N共掺ZnO薄膜的结晶性能、微观形貌和光电性能最佳。Al-N共掺ZnO薄膜透光率在80%以上,电阻率为1.91×103?·cm,霍尔迁移率1.76cm2/V·s,载流子浓度7.05×1012cm-3。 Al-N共掺的掺杂机理:Al替换Zn是有限度的,有限的Al最大程度提高了N在ZnO结构中的固溶度;在Al-N共掺的ZnO晶体结构中存在Al:N和Al:2N(Al与N摩尔数比为1:2)两种结构,使结构稳定性提高,使薄膜的结晶性能、微观形貌和光电性能最佳。


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