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氧化锌薄膜及其掺杂特性

作　者: 李强
导　师: 刘耀东
学　校: 长春工业大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 脉冲激光沉积 空心阴极离子镀 霍尔效应
分类号: TN304.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


氧化锌(ZnO)作为宽禁带Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,因其室温下高达60meV的激子束缚能而具有优良的光电性能,并受到了人们的广泛关注。ZnO在透明导电薄膜(transparent conducting films)、表面声波器件(surface acoustic wave devices)及短波长发光器件(short wabelength photonic devices)等诸多方面有广阔的应用前景。然而,由于本征ZnO呈弱n型导电,其电导率、载流子浓度及光致发光等各项性能还不能达到器件开发水平,因此常常通过掺杂一定浓度的特定元素来提高相应的性能。对于ZnO来说,高质量的n型ZnO薄膜比较容易制备,而由于自补偿效应,性能稳定的p型ZnO薄膜的制备则比较困难。本文分别采用脉冲激光沉积技术(PLD)掺杂A1元素制备了高质量的n型ZnO：Al薄膜；采用空心阴极离子镀技术(HCD)掺杂N元素制备了p型ZnO：N薄膜。开展的具体工作如下：1、利用PLD技术,在石英玻璃基体上分别制备了不同A1掺杂浓度的ZnO薄膜,(基体温度为200℃),经XRD和场发射扫描形貌(FESEM)检测发现,ZnO：Al薄膜的(002)取向随着Al掺杂浓度的增加而减弱。光致发光(PL)谱显示,A1的掺杂可使ZnO变成单纯的紫外受激发射,并有效抑制ZnO的深能级发光。2、在200℃基体温度下沉积的ZnO:Al (2.0wt.%Al)薄膜的电阻率最低,载流子浓度和迁移率较高,并且呈单纯紫外发射,只比未掺杂的ZnO薄膜的紫外光发射强度略低,并未见可见光发射。在可见光波段的透光率高于80%。3、不同基体温度(100-250℃)下制备的ZnO：A1薄膜均具有较高的光学透光率,并且200℃时的吸收边明显蓝移。4、利用HCD技术以纯ZnO薄膜为基体,在200℃基体温度的N2气氛下沉积60min的ZnO:N薄膜具有较好的结晶质量,XPS谱表明N原子在ZnO中有较高的掺杂浓度。Hall效应测量数据显示,该条件下制备的ZnO：N薄膜电阻率低达0.1039Ω·cm,载流子浓度高达2.86×1020 cm-3,并且呈p型导电。5、利用HCD技术以纯Zn为靶材,在N20气氛下制备的ZnO：N薄膜有较好的结晶质量和较高的N掺杂浓度,但载流子浓度仅为6.5×1011cm-3,该薄膜呈n型导电特性。对比发现,以N2为掺杂源制备的ZnO:N薄膜的电学性能相对较好。

全文目录


摘要  2-3
Abstract  3-7
第一章 绪论  7-19
  1.1 概述  7-8
  1.2 ZnO的结构与性质  8-9
    1.2.1 ZnO的结构  8
    1.2.2 ZnO的电学性质  8
    1.2.3 ZnO的光学性质  8-9
  1.3 ZnO薄膜的研究进展与应用  9-12
    1.3.1 研究进展  9-10
    1.3.2 应用前景  10-12
  1.4 掺杂对ZnO结构及性能的影响  12-13
  1.5 ZnO薄膜的制备方法  13-17
    1.5.1 分子束外延法(MBE)  14
    1.5.2 磁控溅射技术(Magnetron Sputtering)  14-15
    1.5.3 金属有机物气相外延(MOCVD)  15
    1.5.4 溶胶-凝胶技术(Sol-gel)  15
    1.5.5 脉冲激光沉积法(PLD)  15-17
    1.5.6 空心阴极离子镀(Hollow Cathode Deposition)  17
  1.6 本论文的选题依据和研究内容  17-19
    1.6.1 选题依据  17
    1.6.2 研究内容  17-19
第二章 实验方法及工艺研究  19-25
  2.1 实验设备  19-21
    2.1.1 脉冲激光沉积系统  19-20
    2.1.2 空心阴极离子镀设备  20-21
  2.2 实验材料  21-22
  2.3 实验方案  22-23
    2.3.1 利用脉冲激光沉积法制备ZnO:Al薄膜  22
    2.3.2 空心阴极离子镀沉积N掺杂ZnO薄膜  22-23
  2.4 ZnO薄膜的表征方法  23-25
    2.4.1 X射线衍射谱(XRD)  23
    2.4.2 场发射扫描电镜(FESEM)  23
    2.4.3 X射线光电子能谱(XPS)  23
    2.4.4 霍尔效应(Hall Effect)  23-25
第三章 脉冲激光法沉积ZnO:Al薄膜  25-38
  3.1 引言  25-26
  3.2 Al掺杂ZnO薄膜结构特性  26-29
  3.3 Al掺杂ZnO薄膜的光学性能  29-32
    3.3.1 发光特性  29-31
    3.3.2 透光性能  31-32
  3.4 Al掺杂ZnO薄膜的电学特性  32-34
  3.5 基体温度对晶体结构和透光性能的影响  34-36
  3.6 基体温度对发光特性的影响  36-37
  3.7 本章小结  37-38
第四章 空心阴极离子镀技术沉积N掺杂ZnO薄膜  38-57
  4.1 引言  38-39
  4.2 P型ZnO薄膜的制备工艺  39-41
    4.2.1 镀膜设备  39-40
    4.2.2 实验过程  40-41
  4.3 以N_2为活性气体沉积P型ZnO薄膜  41-49
    4.3.1 样品的表面形貌分析  41-44
    4.3.2 X射线光电子谱分析  44-46
    4.3.3 霍尔效应测量  46-49
  4.4 以N_2O为活性气体沉积P型ZnO薄膜  49-56
    4.4.1 场发射扫描形貌分析  49-51
    4.4.2 X射线光电子能谱分析  51-53
    4.4.3 霍尔效应检测  53-56
  4.5 小结  56-57
结论  57-58
致谢  58-59
参考文献  59-65
作者简介  65
攻读硕士学位期间研究成果  65-66

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料 > 化合物半导体 > 氧化物半导体
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