文档介绍：氧化锌薄膜的掺杂及性能研究
摘要:ZnO作为一种新型宽禁带半导体材料,不仅原料丰富、无毒,而且光电性、压电性、气敏性等性能优异,容易实现掺杂。ZnO薄膜及其掺杂所具有的诸多特性,使其在太阳能电池、发光二极管、激光二极管、紫外探测器等领域有极大的研究价值,尤其是p型掺杂的实现大大拓宽了其应用的领域。
关键词:氧化锌薄膜;结构性能;电学性能;光学性能文献标识码:A
中图分类号:TN304 文章编号:1009-2374(2015)36-0055-02 DOI:-4406/
1 概述
ZnO晶体是六方纤锌矿结构的Ⅱ-Ⅳ族宽禁带直接带隙半导体材料。因其紫外受激发射强度随温度升高而淬灭,一直不被人们重视,直至在室温下观测到纳米结构的微晶薄膜的光泵激光发射,因其激子结合能(60meV)比GaN(28meV)、ZnS(39meV)高很多,并且在室温(26meV)及更高温下稳定工作,制备温度比GaN低一倍,因而避免了膜与衬底间原子在高温下产生互扩散。因此ZnO很快成为人们继GaN之后热门研究的短波半导体材料。ZnO薄膜透明导电,纯ZnO及其掺杂薄膜光电性能优异,可应用在太阳电池、半导体激光器件、紫外与红外光阻挡层、压电器件、液晶显示、气体敏感器件等领域,有较好的产业化前景。ZnO薄膜呈n型极性半导体,天然具有锌间隙和氧空位,其掺杂分为n型掺杂和p型掺杂。
制备高质量的ZnO薄膜可采用以下方法:脉冲激光沉积(PLD)、化学气相沉积法、射频磁控溅射法、溶胶凝胶法、金属锌膜氧化法和分子束外延法。PLD法设备结构简单且操作调节方便,此法对制备高质量的氧化物薄膜更有效,采用纯金属合金做靶材制备出薄膜的金属成分接近于靶材,且纯金属靶材比金属氧化物陶瓷靶材制作工艺简单而且便宜,由于激光作用下产生的等离子体能量较高,能在较低的基体温度或室温下沉积出AZO薄膜。文献报道PLD法多用准分子激光器作激光源,刘耀东等采用Nd:YAG型脉冲激光器(价钱便宜)制备出了高质量的AZO薄膜。
2 ZnO薄膜的n型掺杂
掺杂元素可使ZnO薄膜材料的晶体结构、光电性能、磁学性能得到控制和提高,从而开拓材料的使用领域。文献中到目前掺杂元素包括Ⅰ族(Li、Cu、Ag、Au)、Ⅱ族(Mg、Cd)、Ⅲ族(B、Al、Ga、In)、Ⅴ族(N、P、As、Sb)及稀土元素Er等。纯ZnO存在本征缺陷,呈n型电导。但缺陷提供的n型载流子浓度不可控且稳定性不好,通常掺入Ⅲ族和Ⅴ族元素来实现ZnO的载流子浓度可控。
目前n型掺杂中研究较多的是透明导电薄膜AZO,,比可见光光子能力大,可见光照射下不引起本征激发,对可见光来说,ZnO是透明导电薄膜。AZO薄膜的光电特性堪比透明导电氧化铟锡(ITO)薄膜,在可见光区的透过率超过85%,且原料丰富无毒且在活性氢和氢等离子体中稳定性高,有潜力成为替代ITO的材料,而用于生产平板显示器。由于其制备条件多样可调节,目前有报道以PC为衬底在室温条件下沉积出了光电性能良好的AZO薄膜,这为以柔性材料为衬底生产曲面显示器奠定了理论基础。
Al掺杂对结构性能的影响
刘耀东以锌铝合金为靶材采用PLD法以石英玻璃为基体沉积AZO薄膜,得到光电性能良好的透明导电薄膜