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ZnO:Al透明导电薄膜和ZnO发光器件的制备及特性研究

刘维峰  
【摘要】: 氧化锌(ZnO)是一种宽禁带(3.37 eV)Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有较大的激子束缚能(60 meV),理论上更容易在室温下实现高效率的受激发射,由于ZnO在结构、电学和光学等方面有诸多优点,加上ZnO薄膜的制作方法很多,在透明电极、压敏电阻、太阳能电池窗口、表面声波器件、气体传感器、发光二极管等领域应用潜力巨大。本文采用磁控溅射法生长Al掺杂ZnO透明导电薄膜(AZO),研究了掺H_2对AZO薄膜透明导电特性的影响;采用超声喷雾热分解法(USP),通过氮-铟共掺杂制备了p型ZnO薄膜,在此基础上制备了ZnO同质结及异质结电致发光器件;采用脉冲激光沉积法(PLD),通过GaAs衬底As扩散获得p型ZnO薄膜,并进一步尝试着制备了ZnO发光器件。具体研究内容如下: (1)采用磁控溅射法,以AZO(2wt.%Al_2O_3)为靶材,在玻璃衬底上生长AZO薄膜。研究了背景Ar气氛中掺H_2对AZO薄膜结构、光学、电学等特性的影响,发现嵌入Zn-O键中的氢原子存在饱和阶段,在此阶段H_2可以改善AZO薄膜的光学、电学等特性。在低温100℃、H_2气流量1.0 sccm条件下成功制备出电阻率为4.15×10~(-4)Ωcm、可见光区域平均透射率为93%的优质AZO透明导电薄膜,与无H_2条件下制备的AZO薄膜相比较,电阻率降低到未掺H样品的1/4,实现了高质量AZO透明导电薄膜的低温制备。 (2)采用超声喷雾热分解法,以In(NO_3)_3和CH_3COONH_4为掺杂源,通过氮-铟共掺杂制备了p型ZnO薄膜。在此基础上,成功的进行了ZnO同质结发光器件的制备,室温条件下测得的电致发光谱(EL)由一个较宽的蓝绿光发光带(中心位于~2.44 eV)和一个较弱的蓝紫光右肩峰(中心位于~2.9 eV)组成。为了进一步提高器件发光效率,本论文还制备了ZnMgO/ZnO/ZnMgO双异质结构发光器件,室温下观测到该器件明显的电致发光现象,发光谱由中心位于450 nm和520 nm两个独立的峰组成,属于ZnO缺陷深能级发光。 (3)采用脉冲激光沉积法,通过衬底As扩散成功制备了p-ZnO薄膜。并在此基础上,成功制作出p-ZnO/n~+-GaAs异质结发光器件,其电致发光谱由蓝绿光波段和红外光波段组成,分别与光致发光谱(PL)测试结果中ZnO的深能光致发光和GaAs的光致发光相对应。在异质结器件基础上,以AZO薄膜作为n型层,构成n-ZnO/p-ZnO/n~+-GaAs三层结构的发光器件。室温下观测到该器件有明显的电致发光现象,EL谱是由一个较宽的蓝绿光发光带(中心位于~2.5 eV)和一个较弱的蓝紫光右肩峰(中心位于~3.0 eV)组成。I-V特性测试结果呈现典型的p-n结整流特性,正向开启电压约为4.5 V,反向击穿电压约为9 V。


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