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半导体薄膜制备及光电性能表征
实验简介
《半导体薄膜》实验主要内容:半导体薄膜简介,以ZnO薄膜为例,介绍其性能、生长和应用;磁控溅射生长ZnO薄膜;霍尔效应介绍;ZnO薄膜的性能测试,以Hall测试来表征ZnO薄膜的电学性能。
半导体薄膜
半导体薄膜的基本分类可如下:(1)Ⅳ族半导体,如Si、Ge、金刚石等,为元素半导体;SiC等,为化合物半导体。(2)Ⅱ-Ⅵ族半导体,如Zn、Cd与O、S、Se、Te形成的化合物,主要有CdS、ZnSe、ZnO等,为化合物半导体。(3)Ⅲ-Ⅴ族半导体,如Al、Ca、In与N、P、As等形成的化合物,主要有InP、GaAs、GaN等,为化合物半导体。(4)复杂化合物半导体,如Cu(In,Ga)Se2等。(5)有机半导体。
在上述半导体材料中,,此类半导体为窄禁带半导体;,此类半导体为宽禁带半导体。另外,按照能带结构,导带底和价带顶在K空间中是否处在同一位置,还可分为间接带隙和直接带隙半导体,Si、Ge为间接带隙半导体,ZnO、GaN为直接带隙半导体。
本实验以ZnO为例介绍半导体材料,ZnO在自然界中以矿物的形式存在,人们在研究应用的过程中,先后制备出了多种形态的ZnO材料,如:粉体、陶瓷体材、体单晶、薄膜和纳米结构等。薄膜材料指的是利用某些生长技术,在衬底或基板上沉积一层很薄的材料,厚度通常在nm或μm量级。
ZnO半导体薄膜
ZnO是一种“古老”而又“新颖”的材料,ZnO很早便作为一种陶瓷结构被广泛应用,而ZnO作为一种半导体材料的研究则始于上世纪80年代。ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,同GaN一样,为直接带隙宽禁带半导体,。ZnO激子结合能为60meV,是GaN(25meV)的2倍多,可以实现室温甚至高温的激子复合发光,是一种理想的短波长发光器件材料。
ZnO晶体有三种不同的晶体结构。自然条件下,其结晶态是单一稳定的六方纤锌矿(Wutzite)结构,属六方晶系,图1为不同视角下的结构示意图。分子结构的类型介于离子键和共价键这之间。晶格常数为a=、c=,Zn-,配位数为4:4。, g/cm-3,无毒、无臭、无味、无砂性两性氧化物,能溶于酸、碱以及氨水、氯化铵等溶液,不溶于水、醇(如乙醇)和苯等有机溶剂。熔点为l975 ºC,加热至1800 ºC升华而不分解。
图2显示了常用的一些半导体材料禁带宽度和晶格常数的关系。在所有的宽禁带半导体中,ZnO与GaN最为接近,有相同的晶体结构、相近的晶格参数和禁带宽度,ZnO与GaN的晶格失配很小(~%)。ZnO可以与CdO或MgO形成ZnCdO或ZnMgO三元合金。 eV,MgO的禁带宽度为
,理论上,~ eV的范围,覆盖了从紫外到可见光的大部分波谱范围。
ZnO为极性半导体,存在着诸多的本征缺陷(如:Zn间隙Zni和O空位VO等),天然呈n型。ZnO可供选择的施主掺杂元素很多,包括IIIA族元素(如B、Al、Ga、In)