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溶胶凝胶法制备ZnO基薄膜及离子注入研究

薛书文  
【摘要】: ZnO具有较大的禁带宽度(3.3eV)和较高的激子束缚能(60meV),与传统的宽带半导体材料GaN、ZnSe和SiC等相比,ZnO有许多优异特性,这使得ZnO在短波长发光二极管、激光器、探测器和太阳能电池等方面展现出诱人的应用前景。要使ZnO在光电器件领域获得广泛应用,关键的问题是制备出性能稳定优良的p型ZnO。在p型ZnO的掺杂中,N被认为是最好的受主掺杂物。但是,N在ZnO中的固溶度比较低,而且形成的受主能级也比较深,因此难以实现有效的掺杂。Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅴ族共掺杂理论就是为解决这些问题而提出的,并且Ⅲ-Ⅴ族共掺杂理论已在ZnO的p型掺杂方面取得了可喜的研究成果。 基于如上共掺杂的理论,本文尝试采用溶胶凝胶方法先制备出ZnO:Al和ZnO:Mg薄膜,使Al和Mg均匀掺杂在ZnO中,然后采用半导体技术中广泛采用的离子注入技术将高剂量N受主杂质掺杂到ZnO:Al和ZnO:Mg中,从而实现共掺杂的目的。基于这个研究构思,做了如下主要研究: 1.详细研究了Al掺杂浓度和退火温度对ZnO薄膜结构、光学和电学性质的影响。研究结果显示,随着Al掺杂浓度(Al/Zn≤1%)的提高,ZnO:Al薄膜的(002)衍射峰强度和近紫外激子发光(NBE)强度不断增强,与缺陷相关的发光(DLE)强度不断减弱;基于Kramers-Kronig色散关系的计算表明,随着掺杂Al浓度的提高,ZnO:Al薄膜的吸收系数、折射率等不断减小。随着退火温度的提高(600-950℃),ZnO:Al薄膜可见光区的折射率、吸收系数等逐渐增大,在紫外区却随着退火温度的提高而减小。另外也发现,在750℃以下退火时,ZnO:Al薄膜吸收边会随着退火温度的提高发生蓝移;在750℃以上退火时,薄膜吸收边随着退火温度的提高发生红移。ZnO:Al薄膜的光吸收在可见光区随着退火温度的提高逐渐增大,在紫外区随着退火温度的提高而减小。ZnO:Al薄膜的紫外峰强度随着退火温度的提高逐渐增强,而缺陷峰强度逐渐减弱。 2.详细研究了Zn和Ge离子注入及退火温度对ZnO薄膜结构、光吸收和光致发光的影响。研究结果显示,Zn、Ge离子注入后,ZnO薄膜的衍射峰强度和荧光强度都显著降低,而可见光区的光吸收显著增强。退火温度对离子注入后的ZnO薄膜的结构和光学性质有显著影响,随着退火温度的提高,薄膜的结构和光学性质得到恢复。Zn离子注入后的退火结果显示,ZnO薄膜的结构在700℃退火后基本恢复到了离子注入前的状态,光致发光强度在600℃退火后基本恢复。Ge离子注入后的退火结果显示,ZnO薄膜的结构在600℃退火后基本恢复到离子注入前的状态,光致发光强度在800℃退火后基本恢复到离子注入前的状态。 3.详细研究了N离子注入及退火温度对ZnO:Al和ZnO:Mg薄膜结构、光学和电学性质的影响。在共掺杂制备p型ZnO中,Al的掺杂含量对p型的转变很重要。实验结果证实,只有Al/Zn=I%的样品出现了明显的p型转变,样品在600℃退火30min后,Hall测试结果显示载流子浓度为1.6×10~(18)cm~(-3),空穴迁移率为3.76cm~2/V·s。离子注入后的退火结果显示,ZnO:(Al,N)薄膜在600℃退火30min后结构和发光特性基本恢复到离子注入前的状态。N离子注入ZnO:Mg薄膜的实验结果显示,N离子注入后的ZnO:Mg薄膜在随后的退火温度过程中存在着显著的分解和蒸发行为。四探针测试结果显示,ZnO:Mg薄膜在N离子注入和随后的退火过程中一直呈高阻状态。


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