直流反应磁控溅射法制备Na掺杂p型ZnO薄膜

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氧化锌(ZnO)是Ⅱ-Ⅵ族宽禁带直接带系半导体材料,在光电、压电、热电和铁电等诸多领域都有其独特的性能。室温下ZnO禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV,远高于GaN的25meV,也高于室温的热能26meV,可以实现室温或更高温度下的激子受激辐射发光,因此,在紫外光探测器、蓝紫波段LEDs和LDs等领域有着极大的应用潜力。 要实现ZnO在光电领域的应用,首先要获得性能良好且稳定的n型和p型ZnO材料。由于本征点缺陷的影响,本征ZnO显示n型导电,这使得ZnO的n型掺杂很容易实现,通过Ⅲ族元素(Al、Ga、In等)掺杂可以获得载流子浓度高、电阻率低、稳定的n型ZnO。但是,ZnO的p型掺杂却很难实现,这主要是由于受主元素在ZnO中的固溶度低、受主能级深及本征施主缺陷和杂质缺陷的补偿效应引起的。理论计算表明,N是最佳的受主掺杂元素,但是N掺杂ZnO薄膜的重复性不是很理想。Yamamoto提出的共掺技术为获得稳定低阻的p型ZnO薄膜提供了新的途径,但是,共掺技术引入较多的杂质离子,使得载流子迁移率低,并且当引入的活性施主含量较高时,共掺薄膜中会出现第二相。有效的p型掺杂需满足下述条件:较浅的受主能级,较大的受主掺杂浓度。理论计算表明,Ⅰ族元素在ZnO具有较浅的受主能级,本文尝试制备了Na掺杂ZnO薄膜。 采用NaxZn1-x合金靶材,利用直流反应磁控溅射技术制得了一系列ZnO∶Na薄膜,通过XRD、Hall、SEM及透射谱等方法测试薄膜性能,研究了衬底温度、靶材中Na含量及Ar∶O2对薄膜性能的影响,结果表明:通过Na掺杂可以实现ZnO的p型转变,靶材中Na含量为0.3at%,Ar∶O2为2∶1,衬底温度为550℃,薄膜的电学性能较好:电阻率p=59.9Ω·cm,载流子浓度np=2.57×1017cm-3,迁移率μ=0.406cm2/Vs。
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