N-Al共掺p型ZnO薄膜制备及形成机理研究

【摘要】： 本工作采用螺旋波等离子体辅助溅射沉积系统应用非平衡生长技术在Al2O3(001)衬底制备了N-Al共掺的p型ZnO薄膜。分析了退火对ZnO薄膜的结构、光学及其电学特性的影响及薄膜表现为p型导电的微观机理。为获得较高载流子浓度的p型ZnO生长,分别以在n型Si(100)和p型Si(100)为衬底制备了N-Al共掺的ZnO薄膜,通过结构特性及光电特性对比,研究了衬底对薄膜导电性的影响。随后通过调整N2的流量对n型Si衬底上N-Al共掺ZnO薄膜生长规律进行分析,探讨了p型ZnO薄膜的形成机理,得到了如下主要结果： Al2O3衬底上所生长p型ZnO薄膜载流子的浓度为2.1×1016cm-3,电阻率为51.8Ω·cm,迁移率为5cm2/V·s。X射线衍射(XRD)和原子力显微镜(AFM)的结果显示退火后(002)峰强度降低,晶粒尺寸增加且更不均匀。X射线光电子能谱(XPS)分析结果显示,高温退火使薄膜中Oi的比例增大,N主要以Zn-N键的形式掺入到薄膜。退火所导致的Zn-N键的密度增加及N活性受主相对比例增大使薄膜导电呈现p型导电特征。退火后Raman光谱E2(high)振动模式半宽度变宽表明了薄膜氧原子数量的增加,Al(LO)振动模式谱峰位置的红移验证了薄膜载流子种类的变化。 在n型Si(100)和p型Si(100)衬底上生长了N-Al共掺ZnO薄膜,发现p型Si衬底上生长n型薄膜,n型Si衬底上能够获得较好晶格结构的p型薄膜,经退火薄膜导电类型不变,说明通过衬底选择能提高生长薄膜的化学势,降低受主缺陷的形成能,使薄膜表现出p型导电。通过合适的氮气掺入,实现了n型Si衬底上p型ZnO薄膜的控制生长。不同氮气流量下,薄膜晶格结构和导电类型之间的关系分析结果显示,固定Al元素含量的条件下,获得具有p型导电和较高的晶格质量的ZnO薄膜存在最佳的氮气掺入条件。各种元素价键结构的XPS分析结果表明,薄膜中Al主要以N-Al键的形式存在,N。受主态的浓度较之在Al2O3衬底中明显增加,这是薄膜表现为p型的主要原因。低温光致发光谱中,占优势的受主束缚激子发光是薄膜p型导电特征的相应表现。从施主受主对的光跃迁计算出薄膜的受主电离能约186meV。