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氧化锌薄膜及其掺杂特性

李强  
【摘要】:氧化锌(ZnO)作为宽禁带Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,因其室温下高达60meV的激子束缚能而具有优良的光电性能,并受到了人们的广泛关注。ZnO在透明导电薄膜(transparent conducting films)、表面声波器件(surface acoustic wave devices)及短波长发光器件(short wabelength photonic devices)等诸多方面有广阔的应用前景。然而,由于本征ZnO呈弱n型导电,其电导率、载流子浓度及光致发光等各项性能还不能达到器件开发水平,因此常常通过掺杂一定浓度的特定元素来提高相应的性能。对于ZnO来说,高质量的n型ZnO薄膜比较容易制备,而由于自补偿效应,性能稳定的p型ZnO薄膜的制备则比较困难。本文分别采用脉冲激光沉积技术(PLD)掺杂A1元素制备了高质量的n型ZnO:Al薄膜;采用空心阴极离子镀技术(HCD)掺杂N元素制备了p型ZnO:N薄膜。开展的具体工作如下: 1、利用PLD技术,在石英玻璃基体上分别制备了不同A1掺杂浓度的ZnO薄膜,(基体温度为200℃),经XRD和场发射扫描形貌(FESEM)检测发现,ZnO:Al薄膜的(002)取向随着Al掺杂浓度的增加而减弱。光致发光(PL)谱显示,A1的掺杂可使ZnO变成单纯的紫外受激发射,并有效抑制ZnO的深能级发光。 2、在200℃基体温度下沉积的ZnO:Al (2.0wt.%Al)薄膜的电阻率最低,载流子浓度和迁移率较高,并且呈单纯紫外发射,只比未掺杂的ZnO薄膜的紫外光发射强度略低,并未见可见光发射。在可见光波段的透光率高于80%。 3、不同基体温度(100-250℃)下制备的ZnO:A1薄膜均具有较高的光学透光率,并且200℃时的吸收边明显蓝移。 4、利用HCD技术以纯ZnO薄膜为基体,在200℃基体温度的N2气氛下沉积60min的ZnO:N薄膜具有较好的结晶质量,XPS谱表明N原子在ZnO中有较高的掺杂浓度。Hall效应测量数据显示,该条件下制备的ZnO:N薄膜电阻率低达0.1039Ω·cm,载流子浓度高达2.86×1020 cm-3,并且呈p型导电。 5、利用HCD技术以纯Zn为靶材,在N20气氛下制备的ZnO:N薄膜有较好的结晶质量和较高的N掺杂浓度,但载流子浓度仅为6.5×1011cm-3,该薄膜呈n型导电特性。对比发现,以N2为掺杂源制备的ZnO:N薄膜的电学性能相对较好。


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