高功率脉冲磁控溅射沉积Al-N共掺ZnO薄膜的研究

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氧化锌(ZnO)因其独特的物理性质而备受关注,如宽直带隙(3.37 eV),高激子结合能(60 meV),这些特性使ZnO广泛应用于太阳能电池、激光二极管和光探测器等。而制备性能优良的p-ZnO薄膜是实现全ZnO基光电器件的关键,但是由于制备的ZnO薄膜存在氧空位(VO)、锌间隙(Zni)、反位锌(ZnO)以及反位氧(OZn)等补偿缺陷,稳定的p-ZnO制备一直较为困难,成为全ZnO基光电器件开发应用的瓶颈。高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)是一种新型等离子体源,具有等离子体密度高、电离率高的特点,在反应溅射中主要以离子形式参加反应,制备的薄膜和普通磁控溅射表现不同的性质。因此针对氮掺杂p-ZnO的稳定性差,本论文采用HiPIMS技术,以氮气为氮源,进行了Al-N共掺ZnO薄膜制备过程中工艺参数的影响研究,并通过时间分辨发射光谱对HiPIMS的放电进行在线诊断,推测p-ZnO薄膜的生长过程。以下为主要研究工作结果:(1)N2流量的影响。研究N2流量对Al-N共掺ZnO薄膜的晶体结构、表面形貌和电学性质的影响。得到随着N2流量的增加,薄膜经历从n-p-n型的转变过程。其中在N2流量为20 sccm时,p-ZnO结晶性最好,其半峰宽(FWHM)较小、表面粗糙度较低,薄膜载流子浓度、迁移率、电阻率分别为5.47×1017cm-3、2.7 cm2/Vs、4.51Ωcm。(2)沉积温度的影响。实验得到ZnO薄膜的沉积速率、表面形貌、电学性质都与沉积温度有紧密的联系。ZnO薄膜的沉积速率220℃时,沉积速率最高,在350℃略有下降。塞贝克效应和霍尔效应测试结果表明,280℃下制备的薄膜为p-ZnO,载流子浓度、迁移率、电阻率分别为5.34×1018cm-3,3.41cm2/Vs和0.35Ωcm。(3)工作气压的影响。当工作气压小于0.6 Pa时,生长的薄膜和ZnO薄膜结构为纤锌矿结构,只有(002)衍射峰,为单晶材料;当工作气压为1 Pa时,薄膜呈(002)晶面择优生长,出现Zn3N2的特征峰;当工作气压为0.3 Pa时,Al-N共掺p-ZnO薄膜电阻率为10.36Ωcm,载流子浓度为1.84×1017cm-3,霍尔迁移率为4.11 cm2/Vs。发射光谱测量得到,N+/N2+达到最大为0.75,易于形成No受主。(4)脉冲宽度的影响。在脉冲宽度为50μs时,ZnO的FWHM最小为0.48,薄膜晶粒尺寸最大,认为这是因为溅射粒子的能量适合于薄膜的成核和长大。OES测量结果显示,随着脉宽的增加,N+/N2+的比例先增加后减小。当50μs时,N+/N2+达到最大为1.03。
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