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掺杂型ZnO光电功能薄膜的制备及机理的研究

作　者: 王娟
导　师: 许莹
学　校: 河北理工大学
专　业: 材料学
关键词: 掺杂 ZnO 光电性能薄膜机理
分类号: O614.241
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

ZnO是一种宽禁带半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,激子结合能达60meV,具有良好的光电性能。在可见光区域内有较大的透光率,一般大于80%。ZnO薄膜的外延生长温度较低,有利于降低设备成本,抑制固相外扩散,提高薄膜质量,也易于实施掺杂。采用溶胶-凝胶法和浸渍提拉法成功制备了Al掺杂n型ZnO薄膜和Al-N共掺p型ZnO薄膜。用X-射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、分光光度计、霍尔(Hall)测量仪,分别研究了Al掺杂和Al-N共掺杂的掺杂浓度、薄膜厚度和热处理温度对两种薄膜的结晶性能、微观形貌和光电性能的影响。用原子力显微镜(AFM)和X光电子能谱(XPS),研究了Al-N共掺的掺杂机理。结果表明:在基质ZnO溶胶浓度为0.5mol/L,Al掺杂摩尔浓度为5%,薄膜层数为8层,热处理温度600℃下,AZO薄膜的结晶性能、微观形貌和光电性能最佳。AZO薄膜透光率在80%以上,电阻率为2.1×102?·cm,霍尔迁移率0.23cm2/V·s,载流子浓度7.81×1014cm-3。在基质ZnO溶胶浓度为0.5mol/L,以Al与N摩尔数比为1:1(简写Al:N),Al-N掺杂摩尔浓度为10%,薄膜层数为8层,热处理温度600℃下,Al-N共掺ZnO薄膜的结晶性能、微观形貌和光电性能最佳。Al-N共掺ZnO薄膜透光率在80%以上,电阻率为1.91×103?·cm,霍尔迁移率1.76cm2/V·s,载流子浓度7.05×1012cm-3。Al-N共掺的掺杂机理:Al替换Zn是有限度的,有限的Al最大程度提高了N在ZnO结构中的固溶度;在Al-N共掺的ZnO晶体结构中存在Al:N和Al:2N(Al与N摩尔数比为1:2)两种结构,使结构稳定性提高,使薄膜的结晶性能、微观形貌和光电性能最佳。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
引言  11-12
第1章概论  12-18
  1.1 ZnO 的基本性质  12-13
    1.1.1 ZnO 的结构特点  12-13
    1.1.2 ZnO 的能带结构  13
  1.2 ZnO 的n 型掺杂  13-15
    1.2.1 AZO 薄膜的特性  13-15
    1.2.2 AZO 薄膜的电学性质  15
    1.2.3 AZO 薄膜的透光性  15
  1.3 ZnO 的p 型掺杂  15-16
    1.3.1 施主-受主共掺杂的理论  15-16
    1.3.2 施主-受主共掺制备p 型ZnO 的研究现状  16
  1.4 掺杂型ZnO 薄膜的制备方法  16-17
  1.5 课题的提出  17-18
第2章薄膜的制备与性能表征方法  18-27
  2.1 溶胶-凝胶体系的选用  18
  2.2 实验原料  18
  2.3 实验步骤及技术路线  18-19
  2.4 溶胶的制备  19-21
    2.4.1 ZnO 溶胶的制备  19-20
    2.4.2 AZO 溶胶的制备  20
    2.4.3 Al-N 共掺溶胶的制备  20-21
  2.5 薄膜的制备  21-23
    2.5.1 基片的清洗  21
    2.5.2 薄膜的制备方法  21-22
    2.5.3 薄膜的热处理  22-23
  2.6 薄膜性能的表征  23-26
    2.6.1 X-射线衍射分析（XRD）  23
    2.6.2 场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）  23
    2.6.3 紫外可见光光度计  23-24
    2.6.4 霍尔（Hall）效应测量仪  24
    2.6.5 原子力显微镜（AFM）  24-25
    2.6.6 X 光电子能谱（XPS）  25-26
  2.7 实验所用仪器设备  26-27
第3章 ZnO 薄膜性能研究  27-31
  3.1 ZnO 薄膜晶体结构的研究  27-28
    3.1.1 溶胶浓度对ZnO 晶体结构的影响  27
    3.1.2 热处理温度对ZnO 晶体结构的影响  27-28
  3.2 ZnO 薄膜光学性能的研究  28-29
  3.3 本章小结  29-31
第4章 Al 掺杂型ZnO 薄膜的性能研究  31-43
  4.1 掺杂浓度对AZO 薄膜性能的影响  31-36
    4.1.1 掺杂浓度对晶体结构的影响  31-32
    4.1.2 掺杂浓度对薄膜表面形貌的影响  32-34
    4.1.3 掺杂浓度对薄膜光学性能的影响  34-35
    4.1.4 掺杂浓度对薄膜电学性能的影响  35-36
  4.2 镀膜层数对AZO 薄膜性能的影响  36-39
    4.2.1 镀膜层数对薄膜表面形貌的影响  36-37
    4.2.2 镀膜层数对薄膜光学性能的影响  37-39
    4.2.3 镀膜层数对薄膜电学性能的影响  39
  4.3 热处理温度对AZO 薄膜性能的影响  39-42
    4.3.1 热处理温度对薄膜晶体结构的影响  39-40
    4.3.2 热处理温度对薄膜表面形貌的影响  40-41
    4.3.3 热处理温度对薄膜光学性能的影响  41-42
    4.3.4 热处理温度对薄膜电学性能的影响  42
  4.4 本章小结  42-43
第5章 Al-N 共掺杂型ZnO 薄膜的性能研究  43-56
  5.1 掺杂浓度对Al-N 共掺薄膜性能的影响  43-50
    5.1.1 掺杂浓度对薄膜晶体结构的影响  43-44
    5.1.2 掺杂浓度对薄膜表面形貌的影响  44-47
    5.1.3 掺杂浓度对薄膜光学性能的影响  47-49
    5.1.4 掺杂浓度对薄膜电学性能的影响  49-50
  5.2 镀膜层数对Al-N 共掺薄膜性能的影响  50-52
    5.2.1 镀膜层数对薄膜表面形貌的影响  50-51
    5.2.2 镀膜层数对薄膜光学性能的影响  51-52
    5.2.3 镀膜层数对薄膜电学性能的影响  52
  5.3 热处理温度对Al-N 共掺薄膜性能的影响  52-55
    5.3.1 热处理温度对薄膜晶体结构的影响  52-53
    5.3.2 热处理温度对薄膜表面形貌的影响  53-54
    5.3.3 热处理温度对薄膜光学性能的影响  54
    5.3.4 热处理温度对薄膜电学性能的影响  54-55
  5.4 本章小结  55-56
第6章 Al-N 共掺机理的研究  56-64
  6.1 Al-N 共掺杂微观结构的研究  56-61
    6.1.1 薄膜的XPS 全能谱分析  56-57
    6.1.2 Zn2p 的XPS 能谱分析  57-58
    6.1.3 Al2p 的XPS 能谱分析  58-59
    6.1.4 N1s 的XPS 能谱分析  59-60
    6.1.5 O1s 的XPS 能谱分析  60-61
  6.2 Al-N 共掺的掺杂机理  61-64
结论  64-65
参考文献  65-69
致谢  69-70
导师简介  70-71
作者简介  71-72
学位论文数据集  72

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