In-N共掺p型ZnO薄膜制备及稳定性研究

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ZnO作为一种新型的宽禁带半导体材料有着诸多光电方面的优异特性,室温下的禁带宽度为3.36eV,激子束缚能高达60meV,远远高于室温热能26meV,也远高于其它半导体材料,所以ZnO在紫外光探测器、太阳能电极、压敏、气敏、表面声波器件、微波及光电器件等领域具有广阔的应用前景。本征ZnO呈现n型导电,若要实现ZnO材料在光电器件方面的广泛应用,稳定可靠的p型ZnO获取是必不可少的。在众多的受主元素掺杂中,N被认为是实现 p型ZnO掺杂的首选元素。目前,许多研究者采用不同的制备工艺和掺杂技术已成功实现了 ZnO的p型转变。其中,施主-受主共掺技术可以降低受主能级提高受主元素在ZnO的固溶度而被认为是一种有效手段。但是,通过施主-受主共掺技术制备的p型ZnO薄膜仍然存在着p型性能不稳定的问题,这也是目前制约ZnO在光电领域大规模应用的瓶颈。  为了探索p型ZnO导电性能不稳定的原因,采用分两步对ZnO进行施主和受主的有效共掺杂,这为施主本征缺陷的分阶段研究和有效调控提供了可能。本文利用射频磁控溅射法在石英玻璃上制备了ZnO:In薄膜。通过X射线衍射谱(XRD)、原子力显微镜(AFM)、拉曼散色光谱和霍尔(HALL)等测试手段,深入研究了退火温度对ZnO:In薄膜这一施主单掺体系中本征缺陷、薄膜的表面形态,拉曼光谱及电学性能的影响,发现在ZnO:In薄膜的拉曼光谱中出现274cm-1拉曼峰,分析认为其起源是薄膜中存在一定浓度的Zni。接着对ZnO:In薄膜进行N离子注入得到了In-N共掺ZnO(ZnO:In-N)薄膜,在氮气环境下,对薄膜进行720℃的20min退火实现了ZnO:In-N薄膜的p型导电,但是电学跟踪测试发现其稳定性不足,分析认为主要原因是此时的p型ZnO:In-N薄膜中依然存在着间隙N。为了消除间隙N,提高 p型导电的稳定性,我们提出了二次退火处理的方法。即在一次退火实现薄膜p型导电后,在真空环境下对ZnO:In-N薄膜进行600℃10min中的二次退火。通过对二次退火后薄膜的电学性能跟踪测试,发现薄膜的p型稳定性得到了良好的改善。
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