双受主施主掺杂ZnO薄膜的组织结构与性能

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本文利用射频磁控溅射方法成功制备了Ga-N和Ag-Ga-N掺杂ZnO薄膜。系统研究了工艺参数对多元掺杂ZnO薄膜的显微组织结构及性能的影响。采用原子力学显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、X射线能量色散谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光分光光度计和霍尔效应测试等系统研究了多元掺杂ZnO薄膜的表面形貌、相结构、光学和电学性能。结果表明,ZnO薄膜表面粗糙度随溅射功率、衬底温度、退火温度的升高而增大,随压强的增加而减小,随气氛N2含量的增加先增加后减小;表面颗粒尺寸随溅射功率、衬底温度、退火温度的升高而增大,随压强和氛N2含量的增加先减小后增大。O在薄膜中主要以Zn-O键方式存在,另一种以游离方式存在;N主要以Ga-N或Zn-N的方式存在;Ag掺杂后,游离的O含量减少,但N以N2、(NH4)+、(NH2)-形式存在的量相对增加。研究表明,室温时,多元掺杂ZnO薄膜由激子复合引起的紫外发光峰在371nm左右,其发光强度显著依赖于薄膜的晶粒大小,随着薄膜晶粒的增大,紫外光发光强度提高;紫光波段中,存在396nm的Ga-N施主受主对复合发光,表明掺杂元素N和Ga进入了ZnO薄膜的晶格位并形成了施主受主对;Ag掺杂后,黄橙光的发光强减弱,表明Ag的引入,抑制了Oi的生成;退火后,紫外光峰位红移2nm,表明退火后薄膜禁带宽度变窄;当退火温度为620℃时,在529nm处观察到AgZn的特征发光,表明合适的退火温度下Ag原子能够进入ZnO薄膜的晶格位,形成受主AgZn,并与导带中的电子复合发光。20K下多元掺杂ZnO薄膜的PL谱发光峰位的计算分析结果表明,受主NO的能级在价带顶142meV处,施主GaZn的能级在导带低94meV-124meV处;Ag掺杂后,中性施主激子复合发光强度明显提高,表明Ag的引入使ZnO薄膜晶格发生畸变,进而引入了更多施主。Ag-Ga-N掺杂ZnO薄膜中,由于Ag的引入使电子载流子浓度提高,霍尔迁移率下降。溅射功率为80W,压强为2Pa,N2含量为40%条件下获得的Ag-Ga-N掺杂ZnO薄膜经700℃退火后有最大电子载流子浓度n=2.44 1019/cm3,最小的电阻率ρ=0.213Ωcm。
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