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Al-N共掺法制备P型ZnO及其性能研究

张正海  
【摘要】: ZnO是一种极具应用潜力的直接宽禁带半导体材料,室温禁带宽度为3.37eV,近年来,ZnO作为宽带半导体材料的研究越来越受到人们的重视。与其它宽禁带半导体材料相比,ZnO具有许多优点,自由激子结合能高达60meV,薄膜生长温度低,抗辐射性好,受激辐射有较低的阈值功率和很高的能量转换效率,这些优点使ZnO有望在短波长发光二极管、激光器、探测器和太阳能电池等众多领域获得广泛的应用。ZnO实用化的前提是制备出性能优良的p型和n型材料,本征ZnO呈n型导电性,通过掺Al、Ga、In等元素,人们已经很容易实现ZnO的n型掺杂。但是ZnO的p型掺杂十分困难,这是由于受主元素在ZnO中固溶度低、受主能级深以及本征施主缺陷高度的自补偿效应等缘故。p型掺杂的困难限制了ZnO的进一步应用。一些研究者通过Ⅰ族和Ⅴ族元素掺杂制备出了p型ZnO薄膜,但是或者载流子偏低,电阻率偏大,或者性能不稳定。N由于在ZnO中较浅的受主能级成为ZnO p型掺杂的首选掺杂剂。但是Yamamoto通过计算表明N的掺入会使ZnO薄膜晶体的马德隆能升高,导致N在ZnO中掺杂浓度低和不稳定。理论预测表明,如果受主和施主按2:1的原子比同时掺入ZnO中会降低马德隆能量,大幅促进受主在ZnO中掺杂浓度,并且掺杂后的ZnO性能稳定。根据这一思路,作者利用直流反应磁控溅射技术,在N_2O-O_2混合气氛中,采用Al-N共掺的方法成功制备出了p型ZnO薄膜,利用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、透射光谱、Hall测试仪等方法对ZnO薄膜的结构和性能进行了表征,系统研究了靶材中Al含量、衬底温度、气氛中N_2O分压比等生长条件对其性能的影响。结果表明,Al-N共掺方法制备的ZnO薄膜表现出优良的沿(002)方向的择优取向性,表面较平整,粒度均匀,厚度约270nm。和单独掺N相比,采用共掺方法能大幅提高p型ZnO的空穴浓度,降低薄膜的电阻率。当靶材中含Al 0.4at%,衬底温度500℃,在纯N_2O气氛中制备的p型ZnO薄膜性能最好,载流子浓度最高为1.3×10~(18)cm~(-3),同时电阻率最低为54Ωcm。Al-N共掺p型ZnO载流子迁移率较低,这可能是N和Al的同时掺入引起严重的电离杂质散射和较差的晶体质量共同作用的结果,如果能够大幅改善ZnO薄膜晶体的质量,我们就可以通过共掺的方法制备出载流子浓度高且迁移率较高、电阻率低的p型ZnO,为ZnO真正实现广泛应用奠定良好的基础。


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