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N掺杂p型Mg_xZn_(1-x)O薄膜的制备及相关问题的研究

高丽丽  
【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(N_2)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N_2,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N_2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(N_2)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5.69cm~2v~(-1)s~(-1),空穴载流子浓度为5.49×10~(16) cm~(-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N_2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~(-3)p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N_2/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N_2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(N_2)o同时存在,在高Mg含量时,薄膜中只存在(N_2)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(N_2)0无关。


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