氧化鋅薄膜的p型摻雜及光學和電學性質

摘 要：氧化鋅屬于一種直接帶隙寬半導體材料，具備較小的玻爾半徑及較大的激子束縛能，在短波長光電子器件研究領域具備較好的應用前景，對于提高光信息存取速度與光記錄密度具有重要意義。在氧化鋅薄膜形成過程中，將活性原子N摻入可以有效得到p-ZnO薄膜，對p型摻雜情況進行判斷，根據(jù)結構設計制備出具備良好電學特性的ZnO同質p-n結，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，這種結構具備良好的伏安特性曲線，通過實驗證明，p-ZnO具有很好的潛在應用價值，對實現(xiàn)ZnO光電器件實用化存在著極為重要的作用。

關鍵詞：氧化鋅薄膜 p型摻雜 光學 電學 性質

中圖分類號：TN304 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0098-01

1 氧化鋅薄膜的p型摻雜及光學和電學實驗

1.1 實驗所需測量儀器

以Kratos公司生產(chǎn)的分析儀器進行XPS測量；能量為1486.6eV的Al Ka射線陽極功率為225W的激光光源；束縛能采取碳氫化合物Cls的284.8eV峰作為能量校正；XRD測試采取DMAX2400型X射線衍射譜；測角儀設置，防散狹縫及發(fā)散狹縫均為1°，接收狹縫為0.30 mm；掃描速度為4°/min，掃描范圍在20°～80°之間；使用SMS1000型霍爾測量儀進行摻雜活性原子N的ZnO薄膜Hall測量；使用F-2500型光譜儀進行吸收光譜及光致發(fā)光光譜測量；PL譜測量條件設定：掃描速度為300 nm/min；激光光源波長為320.0 nm，光源狹縫為20.0 nm，接收光譜狹縫設定為20.0 nm；PNT電壓設定為400 V。

1.2 實驗過程

利用CVD技術，制備摻氮ZnO薄膜，使用二水合醋酸鋅為前驅，氮源采取醋酸銨，將二水合醋酸鋅溫度控制為250 ℃，醋酸銨溫度控制在120 ℃；根據(jù)不同的測試目的，生產(chǎn)ZnO薄膜襯底材料分別選擇使用硅片、普通玻片、石英玻片及ITO導電玻璃；將氧氣流量設定為10 ml/min；通過系統(tǒng)內溫度及壓強，對產(chǎn)物爐內產(chǎn)物進行控制，中心溫區(qū)溫度控制在400 ℃～500 ℃范圍內，升溫及保溫時間分別為60 min與30 min，壓強設定為0.1～2.0 kPa；在實驗反應結束后，系統(tǒng)在氧氣中自然冷卻到室溫溫度。實驗設置情況如圖1。

在ITO導電玻璃中生長出ZnO p-n結器件，使用電解法或烯酸將導電玻璃表面存在的ITO材料涂層進行腐蝕，形成絕緣區(qū)域；在導電玻璃上按照一定次序，覆蓋生成一層P型ZnO薄膜及n型ZnO薄膜；使用真空蒸發(fā)鍍膜法鍍鋁電極。

2 實驗結果及分析

2.1 XPS測量結果分析

將反應爐內從高溫區(qū)到低溫區(qū)固體粉末樣本設定為待測樣品D1、D2、D3、D4。其中D1、D2屬于中心高溫區(qū)500 ℃環(huán)境中，D3、D4則屬于低溫區(qū)200 ℃環(huán)境中。測試元素分別為鋅原子、氧原子、碳原子及氮原子。XPS測量結果如圖2。

研究上圖數(shù)據(jù)，可以獲得樣品D1、D2中所含有的氮原子含量明顯高于D3、D4樣品中含氮原子含量，這種現(xiàn)象表明，系統(tǒng)中發(fā)生了含有氮元素的ZnO反應；在高溫區(qū)發(fā)生ZnO反應要比低溫區(qū)發(fā)生的反應較為強烈。

通過研究樣品的XPS圖譜，根據(jù)樣品結合能峰進行推斷，可以獲取樣品D1、D2中可能生產(chǎn)摻氮氧化鋅化合物，而在D3、D4樣品中，含有大量的氧原子及碳原子，氮原子含量極低，從而表明，在高溫區(qū)范圍內形成摻氮的p-ZnO可能性較大。

2.2 XRD測量結果分析

通過分析在不同襯底與不同溫度下ZnO薄膜XRD譜特征，采取對比方法發(fā)現(xiàn)，玻璃襯底在440 ℃溫度下生成的薄膜結晶好于在420 ℃溫度下生產(chǎn)的薄膜結晶，并在晶相中，優(yōu)先生長方向十分明顯。硅片襯底本身具備平整度好、耐高溫等特點，硅片襯底生長ZnO薄膜結晶好于玻璃襯底。通過研究X射線衍射譜及X射線光電子能圖譜，發(fā)現(xiàn)被激活的摻氮p-ZnO薄膜光學及電學性質發(fā)生改變。

2.3 霍爾效應測量分析

對摻氮p-ZnO薄膜進行霍爾效應測量，襯底選擇為玻璃襯底，通過霍爾效應測量后獲得數(shù)據(jù)，表明ZnO材料呈p型導電特質，且在ZnO薄膜中載流子濃度較高，證明摻氮ZnO薄膜中生長本征的n型ZnO，最終可以實現(xiàn)ZnO同質p-n結器件結構。

2.4 ZnO薄膜光致發(fā)光光譜分析

摻氮ZnO薄膜光致發(fā)光光譜如圖3。

通過研究摻氮ZnO薄膜光致發(fā)光光譜可以發(fā)現(xiàn)，氧化鋅薄膜材料的PL譜沒有在綠光波長范圍內出現(xiàn)峰值，在390 nm位置出現(xiàn)與ZnO本征發(fā)光相對應激發(fā)峰，由此，可以判斷出ZnO樣品具備良好的光致發(fā)光性能。

2.5 摻氮ZnO薄膜p-n結電學特性測試分析

制備出ZnO p-n結后，進行伏安特性測試，并將測量數(shù)據(jù)中電流值更換為電流密度值，并獲得摻氮ZnO薄膜p-n結的伏安特性曲線。通過曲線研究，證明摻氮ZnO薄膜p-n結電學性能優(yōu)越，抗擊穿性能較強。

3 結語

在本文中，采取CVD技術制備了ZnO同質p-n結及p-ZnO薄膜，通過霍爾效應測量，證明了p-ZnO薄膜的p型導電特性，通過ZnO同質p-n接器件伏安特性曲線研究，證明了ZnO同質p-n結具備可實現(xiàn)性，可以為以后短波長光電器件實用化提高理論依據(jù)，p-ZnO具有很好的潛在應用價值，相信隨著研究的深入，ZnO光電器件會在不久的將來實現(xiàn)及廣泛應用。

參考文獻

[1]孫利杰.ZnO薄膜的摻雜和光電性質研究[D].中國科學技術大學，2010.

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