In-N共掺杂制备p-ZnO薄膜及ZnO其它相关掺杂研究
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ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,属于六方纤锌矿结构,(002)晶面的表面自由能最低,因而ZnO通常具有(002)取向性生长。ZnO在光电、压电、热电、铁电等诸多领域都具有优异的性能,在低维纳米领域也表现优异,拥有各式各样的纳米结构。作为一种直接带隙宽禁带半导体材料,ZnO最具潜力的应用是在光电器件领域。ZnO的禁带宽度为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。所以,ZnO在短波长光电器件领域有着极大的应用潜力,如紫蓝光发光二极管(LEDs)和激光器(LDs)等,可作为白光的起始材料。ZnO要实现在光电领域的广泛应用,首先必须获得性能良好的n型和p型ZnO材料,并实现透明的ZnO同质p-n结。高质量的n型ZnO很容易实现,但是ZnO的p型掺杂由于其固有的极性却非常困难,这是目前制约ZnO实际应用的瓶颈,也是ZnO研究中面临的主要挑战。这一课题也正是本文研究的重点和核心,本文的研究便是以ZnO的p型掺杂为中心而展开的。1.实现了In-N共掺p-ZnO,制备了ZnO同质p-n结,对In-N共掺实现p-ZnO的机理进行了详细而深入的分析我们用直流反应磁控溅射制备了In-N共掺p-ZnO。SIMS测试表明In、N都已经掺入薄膜,In的掺入促进了N在薄膜中的掺杂量。我们制备的薄膜在室温下显示出良好的结晶质量和p型表现。通过选用不同的衬底,得到可靠的最优室温下的p型表现是在SiO2/n-Si衬底上,电阻率为3.12Ωcm,载流子浓度为2.04×1018cm-3,迁移率为0.979 cm2V-1s-1。In-N共掺法制备p-ZnO是稳定和可重复性兼备的。研究了In含量对共掺ZnO薄膜电学性能的影响。霍尔测试结果显示杂质离子散射是影响载流子迁移率的主要机制,它很好的解释了随着In含量的增加,迁移率逐渐减少的电学输运机制。XPS结果显示正是In的出现,通过形成In-N键和Zn-N键而促进了N掺入。改变In含量时,所得的最优p-ZnO其电阻率为16.1Ωcm,Hall迁移率为1.13 cm2/Vs,载流子浓度为3.42×1017 cm-3,对应薄膜中的In含量为0.14 at.%,此时共掺ZnO薄膜的(002)衍射峰位和本征ZnO最为接近。在衬底温度从490℃到580℃之间,用In-N共掺方法实现ZnO的p型导电。在低温区域共掺ZnO薄膜显示出很高的电阻率,载流子导电类型不确定,没有明确的p型导电型号;在中间温度区能够获得p型电导;在高温区域载流子导电由p型转换为n型。所制备的最优p-ZnO其电阻率为23.7Ωcm,Hall迁移率为0.752 cm2/Vs,载流子浓度为3.51×1017 cm-3。我们提出复合体模型,用来解释导电类型随衬底温度的变化规律。通过两步法引入缓冲层,提高了共掺ZnO薄膜的性能。所得的最优的In-N共掺p-ZnO薄膜的可靠电阻率为7.85Ωcm,Hall迁移率为1.47 cm2/Vs,载流子浓度为5.40×1017 cm-3。以此为基础,制备了p-ZnO∶(In,N)/n-ZnO∶In同质p-n结,该结在Ⅰ-Ⅴ测试中显示出明显而良好的电流整流特性。In-N共掺ZnO薄膜的的导电性可以通过调节衬底温度来控制,也可以通过引入缓冲层来提高相关性能,对于ZnO基光电器件有重要意义。2.研究了ZnO其它相关掺杂我们采用直流反应磁控溅射,制备了ZnO∶Li薄膜。研究了玻璃衬底上生长的ZnO∶Li薄膜的电学性能、晶体结构和光学性能在不同退火温度下的表现。在所有显示p型导电性的样品中,当退火温度为500℃时,所得的最优p-ZnO其电阻率为57Ωcm,Hall迁移率为1.03 cm2/Vs,载流子浓度为1.07×1017 cm-3。最佳退火温度确定在于所得薄膜的(002)衍射峰位为34.43°,这个值和粉末ZnO的2θ值是一致,这会为Li的掺入构建一个合适的环境,使LiZn受主在晶格中稳定下来,从而获得良好的p型导电性能。随着退火温度的进一步增加,载流子导电类型由p型转换为n型,并且随着温度的升高,n型导电信号逐渐增强。可能是由于Li受主的再蒸发,更好的结晶质量和加剧薄膜中补偿施主(如VO)的生成,因为退火在Ar气氛下进行的。对最优p型表现的样品进行变温PL测试,拟合得到两个位于~140 meV和~260 meV的受主能级。我们把位于~140 meV的能级认为是LiZn受主能级。我们利用直流反应磁控溅射,在不同的Ar/O2比下在玻璃和Si(111)衬底上都长出了c轴高度择优取向,结晶质量良好的CdxZn1-xO(x=0.1,0.2)薄膜。研究了Ar/O2比对CdxZn1-xO薄膜晶体质量和带隙的影响。当Ar/O2比从1∶4到1∶1间连续变化时,生长在玻璃衬底上的Cd0.1Zn0.9O薄膜的半高宽(FWHM)逐渐减少(从0.36°),在Ar/O2比值为1∶1取得最小值0.29°;薄膜的带隙E8逐渐减少(从3.149 eV),在Ar/O2比值为1∶1取得最小值3.099 eV。当Ar/O2比继续增加到2∶1时,半高宽则增加到0.35°;带隙E8则增加到3.114 eV。Cd0.2Zn0.8O薄膜半高宽(FWHM)和带隙E8的变化趋势和Cd0.1Zn0.9O薄膜是一样的。并提出了Ar/O2比对CdxZn1-xO薄膜带隙影响机制的合理解释。
摘要 | 第6-9页 |
Abstract | 第9-11页 |
第一章 前言 | 第12-16页 |
第二章 文献综述 | 第16-39页 |
2.1 ZnO的基本性质 | 第16-18页 |
2.2 ZnO的形态结构 | 第18-21页 |
2.2.1 ZnO体单晶 | 第19页 |
2.2.2 ZnO薄膜 | 第19-20页 |
2.2.3 ZnO纳米结构 | 第20-21页 |
2.3 ZnO的性能 | 第21-27页 |
2.3.1 ZnO的能带结构 | 第21-23页 |
2.3.2 ZnO的光电性能 | 第23-26页 |
2.3.3 ZnO的压电和热电特性 | 第26-27页 |
2.3.4 ZnO的铁电和铁磁特性 | 第27页 |
2.4 ZnO的应用 | 第27-30页 |
2.5 ZnO的缺陷 | 第30-32页 |
2.5.1 ZnO中的点缺陷 | 第31页 |
2.5.2 ZnO中的线缺陷和堆垛层错 | 第31-32页 |
2.6 ZnO的掺杂 | 第32-39页 |
2.6.1 ZnO的n型掺杂 | 第32页 |
2.6.2 ZnO的p型掺杂 | 第32-39页 |
第三章 直流反应磁控溅射原理和工艺 | 第39-50页 |
3.1 实驻设备 | 第39-41页 |
3.2 直流反应磁控溅射技术原理 | 第41-45页 |
3.3 实验工艺过程 | 第45-47页 |
3.4 性能评价 | 第47-50页 |
第四章 In-N共掺实现p-ZnO的可行性分析 | 第50-64页 |
4.1 Yamamoto的共掺理论 | 第51-52页 |
4.2 Wang的共掺理论 | 第52-53页 |
4.3 Yan和Zhang的共掺理论 | 第53-54页 |
4.4 我们的思考和评论 | 第54-55页 |
4.5 In-N共掺实现p-ZnO可行性分析 | 第55-61页 |
4.5.1 从系统Madelung能量角度分析 | 第56-57页 |
4.5.2 从N受主能级的态密度角度分析 | 第57-60页 |
4.5.3 从电负性角度分析 | 第60-61页 |
4.6 In-N共掺制备p-ZnO现状分析 | 第61-62页 |
4.7 本章小结 | 第62-64页 |
第五章 In-N共掺ZnO薄膜的p型表现 | 第64-78页 |
5.1 In-N共掺p-ZnO薄膜的晶体质量 | 第64-66页 |
5.2 In-N共掺p-ZnO薄膜的电学性能 | 第66-67页 |
5.3 In-N共掺p-ZnO薄膜的光学性能 | 第67-69页 |
5.4 In-N共掺p-ZnO薄膜的成分分析 | 第69-72页 |
5.5 衬底温度对In-N共掺ZnO薄膜电学性能的影响 | 第72-73页 |
5.6 衬底对In-N共掺ZnO薄膜性能的影响 | 第73-76页 |
5.7 本章小结 | 第76-78页 |
第六章 In含量对In-N共掺ZnO薄膜的影响 | 第78-92页 |
6.1 In-N共掺ZnO薄膜和靶材中In含量的对应关系 | 第78-80页 |
6.2 In含量对In-N共掺ZnO薄膜电学性能的影响 | 第80页 |
6.3 In-N共掺ZnO薄膜的电学输运机制 | 第80-82页 |
6.4 In-N共掺p-ZnO薄膜中In、N元素的XPS分析 | 第82-83页 |
6.5 In-N共掺p-ZnO薄膜关于最佳In含量的讨论 | 第83-86页 |
6.6 In-N共掺p-ZnO薄膜的光致发光 | 第86-90页 |
6.7 本章小结 | 第90-92页 |
第七章 村底温度对In-N共掺ZnO的影响 | 第92-102页 |
7.1 衬底温度对In-N共掺ZnO薄膜性能的影响 | 第93-95页 |
7.2 衬底温度影响In-N共掺ZnO薄膜导电类型的机制 | 第95-96页 |
7.3 缓冲层对In-N共掺p-ZnO薄膜性能的改善 | 第96-98页 |
7.4 In-N共掺ZnO同质p-n结的制备 | 第98-100页 |
7.5 我们的思考和展望 | 第100页 |
7.6 本章小结 | 第100-102页 |
第八章 ZnO其它相关掺杂研究:退火温度对ZnO:Li薄膜的影响 | 第102-110页 |
8.1 引言 | 第102-104页 |
8.2 实验参数 | 第104页 |
8.3 退火温度对ZnO:Li薄膜电学性能的影响 | 第104-105页 |
8.4 p-ZnO:Li薄膜关于最佳退火温度的讨论 | 第105-107页 |
8.5 p-ZnO:Li薄膜的光致发光 | 第107-109页 |
8.6 本章小结 | 第109-110页 |
第九章 ZnO其它相关掺杂研究:Ar/O_2比对Cd_xZn_(1-x)O薄膜的影响 | 第110-121页 |
9.1 引言 | 第110-113页 |
9.2 实验参数 | 第113页 |
9.3 Ar/O_2比对Cd_xZn_(1-x)O薄膜晶体质量的影响 | 第113-115页 |
9.4 Ar/O_2比对Cd_xZn_(1-x)O薄膜带隙的影响 | 第115-117页 |
9.5 Cd_(0.1)Zn_(0.9)O薄膜的XPS分析 | 第117-119页 |
9.6 Cd_(0.1)Zn_(0.9)O薄膜的表面形貌分析 | 第119-120页 |
9.7 本章小结 | 第120-121页 |
第十章 结论 | 第121-124页 |
参考文献 | 第124-133页 |
致谢 | 第133-134页 |
作者博士期间发表的论文 | 第134-135页 |
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