氧化鋅超細(xì)顆粒及氧化鋅薄膜的光電性能研究.pdf

1、ZnO的禁帶寬度為3.37eV，激子束縛能高達(dá)60meV，是新一代直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，并具有十分優(yōu)異的光電性能。ZnO原材料豐富，成本低廉，將其應(yīng)用于發(fā)光器件將大大降低制備器件的成本。
　　本文研究了氧化鋅超細(xì)顆粒及氧化鋅薄膜的微結(jié)構(gòu)及其光電性能。采用XRD、SEM等手段表征了具有不同晶粒尺寸的ZnO顆粒的微結(jié)構(gòu)，通過測試其PL和EPR譜研究其光電性能。采用固相反應(yīng)法制備了ZnOZnMgO和NiO陶瓷靶材，研究制備工藝對靶材致密

2、度和收縮率的影響;用磁控濺射法制備了ZnO薄膜，以XRD、SEM等手段表征其微觀結(jié)構(gòu)，用紫外-可見光分光光度計(jì)測試薄膜的光學(xué)透過率及其吸收值，計(jì)算了ZnO薄膜可見光平均透過率和光學(xué)帶隙，探討了ZnO薄膜制備過程中濺射功率、襯底溫度、膜厚對薄膜微結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響。采用磁控濺射法制備了n-ZnO/p-Si、n-ZnO/p-NiO等異質(zhì)結(jié)，用半導(dǎo)體電阻及霍爾系數(shù)測試系統(tǒng)測試其電學(xué)性能。得到以下主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果:
　　(1)SEM結(jié)果顯示

3、，納米氧化鋅顆粒經(jīng)不同溫度下加熱，隨著加熱溫度的升高，由于晶粒聚合，導(dǎo)致晶粒尺寸迅速增大。晶粒尺寸對氧化鋅顆粒的光譜特性有較大的影響，隨著加熱溫度的升高，晶粒尺寸增大，氧化鋅顆粒的紫外光(UV)與可見光(VS)輻射強(qiáng)度的比值減小，這可歸因于界面缺陷減少。
　　(2)EPR結(jié)果表明，未進(jìn)行加熱處理的納米氧化鋅在g=1.957處存在一個(gè)單一的共振峰，這是由淺施主Zni引起的。當(dāng)氧化鋅顆粒的加熱溫度超過1000℃時(shí)，在g=2.146處的

4、共振峰信號(hào)迅速增強(qiáng)，這可能是由于晶粒聚合后，界面減少，樣品受氧的影響增強(qiáng)。
　　(3)在ZnO晶粒中存在幾種促進(jìn)半導(dǎo)體材料導(dǎo)電和發(fā)光的缺陷中心，如替位原子、鋅空位、氧空位及間隙原子等。
　　(4)ZnO靶材在燒結(jié)過程中，大部分水分在220℃時(shí)揮發(fā)，而有機(jī)物(PVA)則在640℃發(fā)生反應(yīng)并分解排出，且當(dāng)溫度達(dá)到1225℃時(shí)ZnO靶材發(fā)生組織間的溶解，有液相產(chǎn)生。ZnO靶材在燒結(jié)過程中于1225℃處保溫一段時(shí)間，晶粒緊密排列在一

5、起，且氣孔變小，并在晶粒之間的空隙處發(fā)現(xiàn)有玻璃相存在，這在很大程度上降低了靶材的孔隙率從而提高其致密度。
　　(5)當(dāng)襯底溫度為300℃時(shí)，用磁控濺射法制備的ZnO薄膜的結(jié)晶性能較好，溫度過高或過低都會(huì)使薄膜的結(jié)晶質(zhì)量變差;濺射功率為150W時(shí)，ZnO薄膜的結(jié)晶性能較好，功率過高或過低都會(huì)使薄膜的結(jié)晶質(zhì)量變差;而薄膜厚度對結(jié)晶性影響不大。不同濺射工藝所制備的ZnO薄膜的透過率高于86％。
　　(6)不同襯底溫度下生長的ZnO

6、薄膜的光學(xué)帶隙Eg在3.24～3.27 eV范圍內(nèi)，且當(dāng)襯底溫度為300℃時(shí)較大，過高或過低的溫度都會(huì)使Eg減小;不同的濺射功率下ZnO薄膜的光學(xué)帶隙的變化范圍為3.22～3.28 eV，當(dāng)功率為150 W時(shí)較大，過高或過低的功率都會(huì)使Eg減小;不同膜厚的ZnO薄膜的光學(xué)帶隙無明顯的變化規(guī)律。光學(xué)帶隙的變化可能是由于晶格缺陷引起的。
　　(7)ZnO薄膜在Si基片上沿C軸擇優(yōu)生長，但晶格失配較大，薄膜結(jié)晶質(zhì)量不好，在ZnO薄膜與S

7、i基片之間引入一層SiO2薄膜之后，ZnO薄膜的晶粒尺寸變大，結(jié)晶質(zhì)量得到提高。p-Si/n-ZnO和p-Si/SiO2/n-ZnO異質(zhì)結(jié)都反映出了比較好整流特性，相比而言p-Si/SiO2/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的開啟電壓較小，整流比要大。SiO2薄膜層的引入在一定程度上改善了異質(zhì)結(jié)的整流特性。
　　(8)p-NiO/n-ZnO異質(zhì)結(jié)的整流效應(yīng)并不明顯，引入一層MgZnO電子阻擋層后，開啟電壓減小，在0.5V左右，整流比提高，器件的整