p型ZnO薄膜制备及其特性研究.pdf

河北工业大学硕士论文

p 型 ZnO 薄膜的制备及其特性的研究

摘要

氧化锌是一种多用途的Ⅱ-Ⅵ族宽带隙半导体材料。由于具有优异的压电、光电特性,
ZnO 被广泛用于太阳能电池、表面声波、压电和气敏器件。此外,ZnO 还具有激子束缚能
高(ZnO:60meV,GaN:21-25meV)、抗辐射能力强等优点。ZnO 独特的性质使得它在紫
外光探测器、蓝光发光二极管和短波长激光器等领域具有相当诱人的应用前景。
自从 1996 年首次报道 ZnO 室温下光泵浦紫外受激发射以来,ZnO 作为宽带隙半导体
材料的研究越来越受到人们的重视。研究的范围已经涵盖了 ZnO 体单晶、纳米 ZnO、量子
点、量子线等材料的生长和特性的研究以及 ZnO 的 p 型掺杂,在短短几年内对 ZnO 的研
究就取得了很大的进展。不过,于 2002 年 10 月在美国召开的 ZnO 国际学术会议上,各国
学者一致认同:国际上还没有可重复的制备电学性能和稳定性较好的 p 型 ZnO 薄膜的方法;
2006 年 9 月, 也在 Applied Physics Letters 上发表评论说:低阻、高迁移率 p 型 ZnO
的制备仍然是一个巨大的挑战。可见,p 型 ZnO 的制备仍然是目前摆在世界各国科学家面
前的重要课题,是研制电注入 p-n 结型 ZnO 基器件必须解决的关键和难点。
本论文主要采用自行设计并改进的超声雾化热分解系统,通过优化生长工艺条件和降
低薄膜生长速率制备出高度 c 轴择优的 p 型 ZnO 薄膜,应用 Hall、XRD、XPS 和 SIMS 等
手段对 ZnO 薄膜的电学和结构性能进行了表征分析,重点讨论了超声喷雾热分解系统的设
计和改进,研究了各工艺条件如衬底温度、掺杂配比、沉积时间和衬底对 ZnO 薄膜性能的
影响。主要结论如下:
1、设计出简单实用的喷头,简化了设备的操作,大大提高了实验的重复性和 ZnO 薄
膜的晶体质量;
2、衬底温度为 440℃时可制备电学性能较好的p型ZnO薄膜,同时薄膜晶体质量和透
过率较好。该温度下我们在普通玻璃和corning7059 玻璃衬底上,Zn、N、Al原子比分别为
1:3: 和 1:3: 时制备出电学性能最好的p型ZnO薄膜,相应的电学参数为:普
通玻璃上薄膜电阻率 •cm、迁移率 •V-1•s-1、载流子浓度 ×1017cm-3;7059 玻
璃上薄膜电阻率 •cm、迁移率 cm2•V-1•s-1、载流子浓度 ×1017cm-3;
3、衬底温度合适时,前驱溶液的浓度对薄膜的电学性能影响不明显;
4、不同衬底上薄膜电学特性有很大差别,其中相同条件下普通玻璃和 corning7059 玻
璃衬底上薄膜导电类型不同,这是普通玻璃衬底内 Na 向 ZnO 中的扩散所致;另外,低阻
Si 衬底上 ZnO 薄膜比高阻衬底上薄膜的电学指标要高几个数量级,这是 Si 衬底的导电性
对霍尔测试结果的影响所致;
5、光致发光结果表明:Si 衬底上温度为 440℃,Zn、N、Al 原子配比为 1:3: 时
所制备的 p 型 ZnO 薄膜在 380nm 处的发光峰很强,而可见光发光带十分微弱,具有较好
的发光特性。

关键词:p 型 ZnO,超声喷雾热分解,N-Al 共掺,Hall 测试


.



I
p 型 ZnO 薄膜的制备及其特性的研究

FABRICATION OF P TYPE ZNO FILMS AND
RESEARCH ON ITS PROPERTIES



ABSTRACT


ZnO is a versatile II-VI group semiconduct material with wide band-gap, due to its notable
piezoelectric and photoelectric property. ZnO has been used in solar cells, surface acoustic wave
devices, piezoelectric and gas sensing devices. Besides, ZnO is more resistant to radiation
damage and has high exciton binding energy which enable ZnO has stronger emissing inten