退火对N-In共掺杂p型ZnO薄膜结构和光电性质的影响

利用射频磁控溅射结合离子注入的方法在石英玻璃衬底上成功地实现了ZnO薄膜的N-In共掺杂,借助于XRD、霍耳测试、透射谱测试等手段分析了不同退火条件下对ZnO薄膜的结构及光电性质的影响。实验结果表明,在氮气环境下,退火温度介于550-600℃,退火时间控制在5-10 min内,可以获得较稳定的p型ZnO薄膜。其中,经过580℃退火20 min的ZnO薄膜具有最佳的电学特性,即空穴浓度达到1.22×10^18cm^-3,迁移率为2.19 cm2V-1s^-1,电阻率是2.33Ωcm。另外,制备的ZnO薄膜在可见光范围内都有很好的透射率,其常温下的禁带宽度为3.25 eV,相对块材本征ZnO的禁带宽度略有减小。

直流反应磁控溅射生长p型ZnO薄膜及其特性的研究

本文报道了利用直流反应磁控技术生长p型ZnO薄膜。ZnO薄膜在不同的衬底温度沉积于α Al2 O3 (0 0 0 1)衬底上 ,生长气氛为NH3 O2 中。利用X射线衍射、Hall试验和透射光谱对其性能进行研究 ,结果表明 ,ZnO薄膜为高度c轴取向 ,在 5 0 0℃的衬底温度下具有很好的结晶性能 ,而且 ,该温度下ZnO还实现了p型转变 ,电阻率为 10 3 Ω·cm ,载流子浓度 10 15cm-3 ,Hall迁移率 3 4cm2 / (V·s)。这是利用溅射技术首次制备出p ZnO薄膜。实验还表明p ZnO薄膜在可见光区域具有 90 %的高透射率 ,室温下光学带宽约为 3 2 1eV。

磷扩散法制备p型ZnO薄膜

应用射频反应磁控溅射的方法,将ZnO薄膜沉积于高磷掺杂的n+型Si衬底上。在沉积和后退火过程中,磷向ZnO薄膜扩散并被激活,使ZnO薄膜由n型转化为p型,从而形成p型ZnO薄膜。X射线衍射分析(XRD)证明了所制备的ZnO薄膜都是高c轴取向的六角纤锌矿结构的薄膜。电学I-V关系曲线的整流特性和空穴浓度≥1.78×1018/cm3的霍耳效应测试结果证明了p型ZnO薄膜的形成。

N-X共掺p型ZnO薄膜的研究进展

获得高质量稳定的p型ZnO薄膜是实现ZnO基光电器件化的关键。目前,国际上公认Ⅴ族元素中的N替代O位(NO)是实现p型ZnO较理想的掺杂途径。但p-ZnO∶N薄膜的导电性能会随着时间、光照、温度条件发生变化,稳定性不足。大量的理论和实验研究表明N基二元共掺(N-X)可以提高N在ZnO薄膜中的固溶度,浅化N的受主能级,且在很大程度上能够改善p型ZnO的导电性能,有利于获得稳定的p型ZnO薄膜。为此,从N基施主受主共掺、双受主共掺以及其它共掺方面综述了N-X共掺p型ZnO薄膜的研究现状。

P型ZnO薄膜的制备及特性研究

ZnO是一种新型的自激活宽带隙半导体材料，是一种理想的短波长发光器件材料，在光电子、高温大功率器件、高频微波器件以及信息技术领域等方面有着广阔的应用前景，实现和控制高质量P型掺杂是ZnO薄膜光电子应用的关键。本文用射频磁控溅射技术，在直径为100mm的单晶Si（110）衬底上制备ZnO薄膜，薄膜厚度为1．8μm。用多功能离子注入机对ZnO薄膜进行N离子注入。通过退火实现了ZnO薄膜的P型转变。扫描电镜（SEM）观察表明，离子注入使薄膜表面形貌产生损伤和缺陷，粗糙度明显增加，但退火对表面形貌有很大改善。X射线衍射（XRD）给出样品具有对应于ZnO（002）面的衍射峰，表明薄膜具有较好的C轴择优取向。在不同温度下（500℃，650℃，800℃，900℃，950℃），

Na掺杂p型ZnO和ZnO/ZnMgO多量子阱结构基LED的制备与室温电注入发射紫蓝光

在硅单晶上,采用了环境友好的ZnO/Zn0.9Mg0.1O多层量子阱结构作为有源层,Na作为p型掺杂元素,制备了ZnO发光二极管(LED).该LED在室温电注入条件下,实现了较强的紫蓝发光,且有效控制了缺陷发光.这项工作将为ZnO LED走向应用起到重要的推进作用.

p型ZnO∶Mn-N薄膜的制备及特性研究

用射频磁控溅射法在石英玻璃衬底上制备了较高结晶质量的ZnO：Mn薄膜，继而进行N离子注入和退火处理，成功实现了ZnO薄膜的Mn—N两步法共掺杂和P型转变。利用X射线衍射（XRD）、Hall测试、分光光度计、X射线光电子能谱（XPS）等测试手段对其性能进行了分析。结果表明：所测样品均具有单一的c轴择优取向，薄膜在退火后没有检测到其它杂质相的生成；薄膜在650℃经10～30min退火时均可实现P型转变，空穴浓度可达10^16-10^17cm^-3，表明650℃可能为ZnO：Mn—N体系中N离子达到电激活成为有效受主的温度；XPS能谱证明了Mn^2＋、N^3-离子的掺入；在热退火作用下，部分间隙位N离子达到电激活通过扩散进入O空位，形成N-Zn或N-Mn键，是样品转变为P型的依据；P型ZnO：Mn—N薄膜室温下的禁带宽度为3．16eV，相对未掺杂ZnO的禁带宽度3．29eV明显减小。

Sb-Na共掺p型ZnO的第一性原理研究

运用密度泛函理论,计算了SbZn、NaZn、SbZn-n NaZn掺杂ZnO晶体的稳定性、能带结构和电子态密度.研究发现SbZn、NaZn、SbZn-n NaZn掺杂ZnO晶体的结构稳定,Sb-Na共掺杂改善了体系的固溶度。能带结构表明,SbZn体系为n型间接带隙半导体材料;NaZn、SbZn-2NaZn体系为p型半导体材料;SbZn-NaZn、SbZn-3NaZn体系为本征半导体材料.对p型半导体材料体系的导电性能研究发现,SbZn-2NaZn体系电导率大于NaZn体系的电导率,即SbZn-2NaZn掺杂改善了体系的导电性.计算结果为实验制备p型ZnO材料提供了理论指导。

磷扩散法制备高掺磷p型ZnO薄膜的磁控溅射工艺的探索

在前期通过n+-Si衬底中的磷向沉积于其上面的ZnO薄膜的扩散制备高掺磷p型ZnO薄膜的研究基础上,探索了较有普遍应用意义的扩散法制备p型ZnO薄膜的磁控溅射工艺。结果表明,当磁控溅射的氧氩质量流量比与衬底温度满足特定的低阶指数函数的匹配关系时,所制备的ZnO薄膜为p型,而且薄膜中磷原子的深度分布是均匀的;另外,这种薄膜的厚度随着氧氩流量比的增加而减小,而薄膜中氧锌原子浓度比都大于1,比值大小与氧氩质量流量比和衬底温度有关。

粉末溅射制备N-In共掺p型ZnO薄膜

在石英玻璃衬底上以ZnO∶In2O3粉末为靶材,采用射频磁控溅射法制备出具有良好c轴择优取向的ZnO∶In薄膜,继而对样品进行二次N离子注入掺杂,成功实现N-In共掺p型ZnO薄膜。借助XRD、Hall测试、XPS和透射谱测试手段研究分析了共掺ZnO薄膜的晶体结构、电学和光学性质。结果表明制备的薄膜具有较高的结晶质量和较好的电学性能,其空穴浓度、迁移率和电阻率分别达到4.04×1018cm-3、1.35cm2V-1s-1和1.15Ωcm。X光电子能谱(XPS)分析显示在p型ZnO薄膜里存在N-In键和N-Zn键,表明In掺杂可以促进N在ZnO薄膜的固溶,有利于N元素在ZnO薄膜内形成受主能级。另外,制备的ZnO薄膜在可见光范围内有很高的透射率,最高可达90%。其常温下的禁带宽度为3.2eV,相对本征ZnO的禁带宽度略有减小。

Na,N双受主共掺杂p型ZnO第一原理研究

采用基于密度泛函理论的第一原理平面波超软赝势法,对六方纤锌矿结构ZnO晶体,Na、N分别掺杂ZnO晶体,Na、N共掺杂ZnO晶体的几何结构进行了优化,其中Na、N共掺杂又分为Na、N相连和分开两种情况,以此为基础计算得到了这几种情况下ZnO晶体的能带结构,总态密度和分波态密度。结果表明,Na、N共掺得到的p型ZnO比单掺要好;两种共掺情况中Na、N分开会比Na、N相连p掺杂效果更好。

扩散掺杂的p型ZnO薄膜的光学性质研究

采用原子层沉积技术(atomic layer deposition)在InP衬底上生长ZnO薄膜,并在不同温度下(500和700℃)进行热退火处理,将P掺杂进入ZnO,得到p型ZnO薄膜。样品的光学特性通过光致发光光谱(photoluminescence,PL)来测定,得出热退火温度是影响P扩散掺杂的重要因素,低温PL光谱中,700℃热退火1h样品的光谱展现出四个与受主相关的发射峰:3.351,3.311,3.246和3.177eV,分别来自受主束缚激子的辐射复合(A°X)、自由电子到受主的发射(FA)、施主受主对的发射(DAP)以及施主受主对的第一纵向声子伴线(DAP-1LO),计算得到受主束缚能为122meV,与理论计算结果一致。通过热扩散方式实现了ZnO薄膜的p型掺杂,解决了制约ZnO基光电器件发展的主要问题,对ZnO基半导体材料及其光电器件的发展有重要意义。

高压高温制备Sb掺杂的P型ZnO及电致发光

以ZnO和Sb_2O_3为前驱物,在5GPa、1100~1450℃条件下,制备出电学性能稳定的掺Sb的p型ZnO(记作ZnO:Sb)。其中1450℃掺杂4.6%Sb时合成了性能最好的P型ZnO:Sb,电阻率为1.6×10^(-2)Ωcm,载流子浓度为3.3×10^(20)cm^(-3),迁移率为12.1cm/V s。p型导电是由位于Zn位的Sb和两个Zn空位组成的复合受主引起的。测定了受主能级为113meV,讨论了压力对p型ZnO的形成和电性能的影响。此外,以高质量ZnO纳米线作为LED的发射层,通过将p型ZnO:Sb中的空穴注入ZnO纳米线中实现了激光发射。当注入电流达到20mA时,电致发光(EL)的功率可达到10mW。

基于第一性原理计算的ΙA族元素掺杂p型ZnO光电学特性研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法计算了Li、Na、K掺杂ZnO纤锌矿结构的晶格结构、电子结构(能带结构、态密度)和光学特性,计算结果表明,在掺杂Na或K的情况下,晶胞体积的计算值均略有增加,而掺杂Li的晶胞体积小于本征ZnO,原因可能是系统能量的减小导致晶胞体积的降低。Li、Na掺杂的ZnO形成了p型导电半导体而K掺杂并未改变ZnO的导电类型,同时,综合电荷分布结果可以看出,Li掺ZnO具有相对较好的p型导电性能。此外,Li、Na、K掺杂ZnO后,吸收率在可见光区出现了明显的增大,其中Li掺ZnO在380 nm附近出现了较强的吸收峰,这对ZnO在光电子器件上的应用具有一定的参考价值。

p型ZnO薄膜的制备及特性

采用射频磁控溅射在Si片上制备ZnO薄膜,通过离子注入对样品进行N掺杂,在不同温度下进行退火并实现了p型转变.用扫描电子显微镜、X射线衍射和Hall测量对薄膜进行了表征,结果表明薄膜具有良好的表面形貌和高度c轴择优取向,退火后p型ZnO薄膜的最高载流子浓度和最低电阻率分别为1.68×1016cm-3和41.5Ω.cm.讨论并分析了退火温度和时间对ZnO薄膜p型转变的影响.

溶胶-凝胶法制备Li-N双掺p型ZnO薄膜的结构、光学和电学性能

采用溶胶-凝胶法在n型Si(100)衬底上沉积Li-N双掺杂ZnO薄膜,经X射线衍射和扫描电镜图片分析,所制备薄膜具有多晶纤锌矿结构和高的c轴择优取向.室温下霍尔效应测试结果显示Li-N双掺杂ZnO薄膜具有p型导电特性.在Li掺杂量为15.0at%,Li/N(摩尔比)为1∶1,700℃退火等优化条件下得到的最佳电学性能结果是:电阻率为0.34Ω.cm,霍尔迁移率为16.43cm2/V.s,载流子浓度为2.79×1019cm-3.另外,室温下光致发光谱显示,所制备样品具有较强的近紫外和紫光发射,而可见光区范围内与缺陷相关的深能级发射则较微弱.本文还就掺杂浓度和退火温度对薄膜的结构、光学性能以及电学性能的影响进行了讨论.

原位氧化Zn_3N_2制备p型ZnO薄膜的性能研究

采用射频反应溅射法在玻璃衬底上制备Zn3N2薄膜,然后向真空室中通入纯氧气进行热氧化制备ZnO薄膜.利用X射线衍射、扫描电子显微镜、霍尔效应测量、透射光谱和光致发光光谱等表征技术,研究了氧化温度和氧化时间对ZnO薄膜的结晶质量、电学性质和光学性能的影响.研究结果显示,450℃下氧化2h后的样品中除含有ZnO外,还有Zn3N2成分,500℃下氧化2h可以制备出电阻率为0.7Ωcm,空穴载流子浓度为1017cm-3,空穴迁移率为0.9cm2/Vs的具有c轴择优取向的p型ZnO薄膜.此时的ZnO薄膜具有良好的光学特性,紫外可见光范围内透过率为85%,处于紫外区域的激子复合产生的发光峰很强,且半高宽较窄,而处于可见光部分来自于深能级发射的绿色发光峰很弱.这种工艺制备的ZnO薄膜质量较好,有利于实现在短波长光电器件方面的应用.

p型ZnO:N薄膜的拉曼及光电特性研究

采用电子束蒸发技术在石英衬底上制备了ZnO薄膜,以N离子注入的方式及后期退火处理实现N掺杂ZnO薄膜.借助拉曼散射光谱、透射光谱和霍尔测试等手段研究了ZnO:N薄膜的拉曼及光电特性.结果表明:所有样品均呈现ZnO纤锌矿结构,在ZnO:N薄膜拉曼光谱中发现与N相关的振动模式(位于272.5,505.1和643.6cm-1),分析表明N已掺入ZnO薄膜中;霍尔测试表明,通过适当退火处理后,ZnO:N薄膜向p型转变,其空穴浓度为7.73×1017cm-3,迁移率为3.46cm2V-1s-1,电阻率为2.34Ωcm.然而,长期进行霍尔跟踪测试发现ZnO:N薄膜的p型性能随时间并不稳定,结合拉曼散射光谱和第一性原理计算分析认为由于p-ZnO:N薄膜中存在残余压应力,同时薄膜中还出现了易补偿空穴的施主缺陷(N2)O是p型不稳定的根本原因.

Li-N,Li-2N共掺P型ZnO的第一性原理研究

利用密度泛函理论,计算了本征ZnO,Li-N共掺杂ZnO及Li-2N共掺杂ZnO的电子结构.计算结果表明,Li-N及Li-2N共掺杂ZnO体系的Fermi能级均不同程度地进入价带顶,并在Fermi能级附近形成浅的受主能级,这说明,Li,N原子共掺杂可获得稳定的p型ZnO;与Li-N掺杂ZnO体系相比,Li-2N掺杂ZnO体系进一步提高了体系的载流子浓度,更有利于获得p型ZnO.

Ag-N共掺p型ZnO的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对Ag-N共掺杂ZnO体系以及间隙N和间隙H掺杂p型ZnO:(Ag,N)体系的缺陷形成能和离化能进行了研究.结果表明,在AgZn和NO所形成的众多受主复合体中,AgZn-NO受主对不仅具有较低的缺陷形成能同时其离化能也相对较小,因此,AgZn-NO受主对的形成是Ag-N共掺ZnO体系实现p型导电的主要原因.研究发现,当ZnO:(Ag,N)体系有额外间隙N原子存在时,AgZn-NO受主对容易与Ni形成AgZn-(N2)O施主型缺陷,该施主缺陷的形成降低了Ag-N共掺ZnO的掺杂效率因而不利于p型导电.当间隙H引入到ZnO:(Ag,N)体系时,Hi易与AgZn-NO受主对形成受主-施主-受主复合结构(AgZn-Hi-NO),此复合体的形成不仅提高了AgZn-NO受主对在ZnO中的固溶度,同时还能使其受主能级变得更浅而有利于p型导电.因此,H辅助Ag-N共掺ZnO可能是一种有效的p型掺杂手段.