ZnO薄膜的摻雜和光電性質研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)作為一種寬禁帶半導體(3.37eV)，具有較高的激子結合能60 meV在開發(fā)短波長光電器件等諸多方面有著很大的應用潛力。然而，ZnO的實用化仍存在許多問題和困難，例如p型ZnO的摻雜、同質p-n結的制備問題。同時，ZnO的一些基本問題如缺陷物理學、缺陷與發(fā)光的關系、ZnO的導電機理等也顯得十分重要，需要進行深入研究。本論文正是基于這樣的背景，圍繞著ZnO的p型摻雜、缺陷物理與發(fā)光等問題，開展了如下工作。
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2、.采用Ag摻雜技術生長了p型ZnO薄膜，并制備了具有整流特性的同質p-n結。XRD測試表明所得薄膜結晶性質良好。對比分析了未摻雜和Ag摻雜ZnO薄膜的低溫(10K)光致發(fā)光譜，發(fā)現(xiàn)Ag的摻入使得光譜中出現(xiàn)了3.315 eV的新發(fā)光峰，分析認為來自于Agzn中性受主束縛激子發(fā)射。霍爾效應測得摻Ag的氧化鋅薄膜為p型，電阻率約0.1Ω cm，遷移率約36 cm2/Vs，空穴濃度約1.7×1018 cm-3。在此基礎上制備了ZnO∶Ag/Zn

3、O的同質結，Ⅳ測試顯示了明顯的整流特性，且反向漏電流很小。
　　 2.首次在實驗上采用Ag-S雙摻雜的方法制備了p型ZnO薄膜。XRD和SEM測試表明，所得樣品為c軸高度取向，且表面平整致密的ZnO薄膜。XPS測試證實了Ag、S的有效摻入。通過對Ag3d的窄區(qū)掃描圖分析發(fā)現(xiàn)樣品中存在Agzn-nSo復合缺陷。低溫PL譜測試觀測到了與該復合缺陷有關的A°X發(fā)射。計算得到其受主能級離價帶頂158 meV，這比Agzn受主能級淺許多，

4、表明Ag、S雙摻能較好地解決Ag摻雜的深受主問題。制備了n-ZnO/ZnO∶(Ag,S)同質結，室溫Ⅰ-Ⅴ測試表明，該結有良好的整流特性，證實Ag、S雙摻的ZnO薄膜是p型電導。
　　 3.通過高壓和低壓兩種方法對ZnO單晶進行了Zn摻雜，研究了不同的實驗條件下所得樣品的光學和電學性質。通過實驗分析，證實了以下結論：1:Zn摻雜在ZnO單晶中形成鋅間隙，是離化能約為50meV的淺施主，大大提高了ZnO晶體中的電子濃度，是非故意摻

5、雜ZnO的n型導電的主要來源；2：鋅間隙極大增強了ZnO紫外發(fā)光強度，在ZnO的室溫紫外發(fā)光中起到了極大作用。
　　 4.通過直流磁控濺射制備了ZnO薄膜，然后分別在N2、O2以及ZnO粉末覆蓋后在1100℃下進行高溫熱處理一個小時，得到了n型、p型和高阻三類導電類型的樣品。XRD和AFM測試表明，所得樣品的結晶質量良好。利用XPS和PL研究了樣品的成分和發(fā)光。研究發(fā)現(xiàn)，在N2氣氛中高溫熱處理樣品的n型導電，主要來自于Zni缺陷

6、，而在O2氣氛中高溫熱處理樣品的p型導電來自于Ozn缺陷。粉末覆蓋后進行高溫熱處理樣品呈現(xiàn)高阻的原因，主要是相應的缺陷濃度的減小所致。
　　 5.利用化學氣相淀積技術在Si襯底上制備了光亮均勻的ZnO薄膜，對所得ZnO薄膜的結晶狀況、形貌和光致發(fā)光特性進行了表征與分析。在此基礎上，通過Al元素摻雜，制備了AZO(ZnO∶Al)透明導電膜。利用Hall測試方法對AZO薄膜的載流子濃度、遷移率和電阻率進行了測試。在400-800 n