ZnO薄膜的掺杂和光电性质研究

题名:ZnO薄膜的掺杂和光电性质研究
作者:孙利杰
学位授予单位:中国科学技术大学
关键词:氧化锌;;掺杂;;缺陷;;光学性质;;电学性质;;透明导电膜
摘要:
 氧化锌(ZnO)作为一种宽禁带半导体(3.37eV),具有较高的激子结合能60 meV在开发短波
长光电器件等诸多方面有着很大的应用潜力。然而,ZnO的实用化仍存在许多问题和困难,例如p型
ZnO的掺杂、同质p-n结的制备问题。同时,ZnO的一些基本问题如缺陷物理学、缺陷与发光的关系
、ZnO的导电机理等也显得十分重要,需Rare earth magnets要进行深入研究。本论文正是基于这样的背景,围绕着ZnO
的p型掺杂、缺陷物理与发光等问题,开展了如下工作。
 1.采用Ag掺杂技术生长了p型ZnO
薄膜,并制备了具有整流特性的同质p-n结。XRD测试表明所得薄膜结晶性质良好。对比分析了未掺
杂和Ag掺杂ZnO薄膜的低温(10K)光致发光谱,发现Ag的掺入使得光谱中出现了3.315 eV的新发光峰
,分析认为来自于Agzn中性受主束缚激子发射。霍尔效应测得掺Ag的氧化锌薄膜为p型,电阻率约
0.1Ωcm,迁移率约36 cm2／Vs,空穴浓度约1.7×1018cm-3。在此基础上制备了ZnO：Ag／Zn0的同
质结,Ⅳ测试显示了明显的整流特性,且反向漏电流很小。
 2.首次在实验上采用Ag-S双掺杂
的方法制备了p型ZnO薄膜。XRD和SEM测试表明,所得样品为c轴高度取向,且表面平整致密的ZnO薄
膜。XPS测试证实了Ag、S的有效掺入。通过对Ag3d的窄区扫描图分析发现样品中存在Agzn-nSo复
合缺陷。低温PL谱测试观测到了与该复合缺陷有关的A°X发射。计算得到其受主能级离价带顶158
meV,这比Agzn受主能级浅许多,表明Ag、S双掺能较好地解决Ag掺杂的深受主问题。制备了n-ZnO／
ZnO：(Ag,S)同质结,室温Ⅰ-Ⅴ测试表明,该结有良好的整流特性,证实Ag、S双掺的ZnO薄膜是p型
电导。
 3.通过高压和低压两种方法对ZnO单晶进行了Zn掺杂,研究了不同的实验条件下所得样品
的光学和电学性质。通过实验分析,证实了以下结论：1：Zn掺杂在ZnO单晶中形成锌间隙,是离化
能约为50meV的浅施主,大大提高了ZnO晶体中的电子浓度,是非故意掺杂ZnO的n型导电的主要来源
；2：锌间隙极大增强了ZnO紫外发光强度,在ZnO的室温紫外发光中起到了极大作用。
 4.通
过直流磁控溅http://www.chinamagnets.biz/faq.php射制备了ZnO薄膜,然后分别在N2、O2以及ZnO粉末覆盖后在1100℃下进行高温热处理
一个小时,得到了n型、p型和高阻三类导电类型的样品。XRD和AFM测试表明,所得样品的结晶质量
良好。利用XPS和PL研究了样品的成分和发光。研究发现,在N2气氛中高温热处理样品的n型导电,
主要来自于Zni缺陷,而在02气氛中高温热处理样品的p型导电来自于OZn缺陷。粉末覆盖后进行高
温热处理样品呈现高阻的原因,主要是相应的缺陷浓度的减小所致。
 5.利用化学气相淀积技
术在Si衬底上制备了光亮均匀的ZnO薄膜,对所得ZnO薄膜的结晶状况、形貌和光致发光特性进行了
表征与分析。在此基础上,通过Al元素掺杂,制备了AZO(ZnO：Al)透明导电膜。利用Hall测试方法
对AZO薄膜的载流子浓度、迁移率和电阻率进行了测试。在400-800 nm范围内所制备的AZO薄膜平
均透光率达到85%以上。
学位年度:2010