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磁控溅射制备磷掺杂氧化锌薄膜及其性质的研究

黄开文  
【摘要】:氧化锌是一种宽带隙半导体(3.37eV),具有大的激子束缚能(60meV),在室温下容易获得强的激子发射,被认为是制备紫外发光和发光二极管的理想材料,在压电器件,紫外发光探测器,气敏传感器等方面都有十分重要的应用。因此,成为近年来继GaN之后宽带隙半导体研究领域的热点课题。 本论文针对氧化锌(ZnO)研究中的“磷掺杂p型ZnO的制备和性能”问题展开研究工作。采用磁控溅射方法,以高纯的Ar和O_2为溅射气体,ZnO:P_2O_5(2wt%)为靶材,在硅衬底上生长磷掺杂的ZnO薄膜,通过后期热处理提高了磷掺杂ZnO薄膜的结晶质量,改善了光学电学性质,并在750℃空气中快速热退火条件下获得磷掺杂的p型ZnO;系统研究了不同气体成分和不同退火温度对磷掺杂ZnO薄膜的结构、电学和光学性质的影响。本文还研究了退火对本征氧化锌薄膜的影响,通过氧化锌和磷掺杂氧化锌的对比,根据本文的实验结果并结合文献报道的内容对磷(P)掺杂形成p型氧化锌形成机制进行了探讨。 利用X-射线衍射、霍尔测量仪、Raman光谱及扫描电子显微镜对薄膜的性能进行了分析测试,并利用光致发光方法研究了薄膜的发光性质。 结果表明当Ar和O_2为流量比为1/0.05时,能观察到明显的紫外发光,可在快速热退火后得到磷掺杂p型ZnO薄膜,随着O_2含量增加,紫外发光峰逐渐消失,转变为n型;只有在750℃空气快速热退火后才能充分激活磷受主,得到了稳定的p型ZnO:P薄膜。随着退火温度的升高,氧化锌薄膜质量变好,当退火温度是900℃时,结晶质量最好,紫外发光和可见光之比最强。通过不掺杂氧化锌和磷掺杂氧化锌退火的对比得知,磷掺杂氧化锌中的磷取代晶格中锌的位置,在空气快速热退火中磷受主得到激活而表现为p型。


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