In-N共掺制备p型ZnO与ZnMgO薄膜及其性能的研究

来源 :浙江大学材料与化学工程学院 浙江大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tjc
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ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带化合物半导体材料,属于六方纤锌矿结构。ZnO在光电、压电、热电、铁电等诸多领域都具有优异的性能,但是最具潜力的应用是在光电器件领域。室温下ZnO的禁带宽度宽为3.37 eV,激子结合能为60 meV,远高于其它宽禁带半导体材料,如GaN为25 meV。ZnO激子在室温下也是稳定的,可以实现室温或更高温度下高效的激子受激发光。此外,将ZnO与MgO形成ZnMgO合金薄膜,可以通过调节Mg含量达到调节ZnMgO合金半导体薄膜禁带宽度的目的。所以,ZnO在短波长光电器件领域有着极大的应用潜力。本征ZnO具有n型导电性能,通过掺入Al、Ga等施主元素,可以得到性能优异的n型ZnO,但是由于受主元素在ZnO中的固溶度低以及ZnO本征施主缺陷的自补偿效应,ZnO的p型掺杂很困难,ZnMgO的p型掺杂也面临着同样的问题。本文的研究便是基于这一思路,以ZnO和ZnMgO的p型掺杂为中心而展开的。本文使用直流反应磁控溅射法,采用In-N共掺方法制备了p型ZnO和ZnMgO薄膜。主要的研究工作如下:1、以N2O作为N掺杂源时,研究了衬底温度和N2O气体流量对In-N共掺ZnO薄膜的影响。当衬底温度为550℃时,薄膜具有最优的p型电学性能,其电阻率为35.6Ωcm,迁移率为0.111cm2 V-1·s-1,空穴浓度为1.57×1018cm-3;通过改变N2O气体流量,发现只有当N2O流量达到一定比例时才能实现p型,且当N2O/(O2+N2O)=0.7时,薄膜p型电学性能最佳。2、以NH3作为N掺杂源时,研究了衬底温度、氧气气体分压和靶材中的In含量对In-N共掺ZnO薄膜的影响。当衬底温度为580℃时,薄膜具有最优的p型电学性能,其载流子浓度为2.54×1017cm-3,电阻率为53.9Ωcm,迁移率为0.456cm2V-1·s-1;通过改变O2气体分压,发现当氧分压为50%时,薄膜的电学性能最佳,其载流子浓度为4.52×1017cm-3,电阻率为40.1Ωcm,迁移率为0.344cm2 V-1·s-1:通过改变靶材中的In含量,发现当In含量为0.5at.%时,所得ZnO薄膜的p型性能最优。3、在探讨Mg含量对ZnMgO三元合金薄膜性能的影响时,研究了薄膜的结晶质量、表面形貌和禁带宽度等随Mg含量的变化关系,得出薄膜禁带宽度随Mg含量增加变化显著,也同时证明了Mg的有效掺入。4、在研究Mg含量对In-N共掺p型ZnMgO薄膜性能的影响时,研究了薄膜的结晶质量、表面形貌和禁带宽度等随靶材中Mg含量的变化关系,得出当靶材中Mg含量为5at.%时,薄膜的p型电学性能最好,其载流子浓度为1.16×1018cm-3,电阻率为25.5Ωcm,迁移率为0.211cm2V-1s-1。且薄膜的禁带宽度随Mg含量增加变化显著,也同时证明了Mg的有效掺入。5、制作了硅基p-Zn0.95Mg0.05O:(In,N)/n-Si异质pn结,该结在Ⅰ-Ⅴ测试中显示出明显而较好的电流整流特性,这进一步证明了我们制备的In-N共掺Zn0.95Mg0.05O薄膜较好的p型性能。
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