本文關(guān)鍵詞：銦（銅）-氮共摻p型氧化鋅薄膜的制備和性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：氧化鋅ZnO是一種直接寬帶隙半導體材料,其室溫下帶隙寬度為3.37e V,激子束縛能高達60 me V。隨著ZnO單晶及薄膜制備工藝的不斷完善,在光電等領域都有廣泛的應用。然而,高質(zhì)量穩(wěn)定p型ZnO制備遠比n型ZnO困難和復雜。至今國內(nèi)外尚未見到報道ZnO同質(zhì)p-n結(jié)LED長時間紫外發(fā)光�？梢�,制備性能穩(wěn)定的p型ZnO是提高ZnO光電子器件壽命的關(guān)鍵,已經(jīng)成為ZnO半導體材料領域亟待解決的核心問題。本文通過磁控濺射及N離子注入等方法制備In-N共摻、Cu摻雜以及Cu-N共摻ZnO薄膜。并通過退火獲得p型In-N共摻ZnO薄膜[ZnO:(In,N)]和具有室溫鐵磁性的Cu摻雜及Cu-N共摻ZnO薄膜[ZnO:(Cu,N)],借助霍爾測試(Hall)、拉曼光譜(Raman)、光致發(fā)光譜(PL)、X射線光電能譜儀(XPS)和超導量子干涉磁強計(SQUID)等表征手段對N相關(guān)摻雜ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)、光、電以及磁學性能進行研究。主要內(nèi)容及結(jié)果如下:①通過改變退火的溫度和時間,研究ZnO:(In,N)薄膜p型轉(zhuǎn)變規(guī)律。發(fā)現(xiàn)ZnO:(In,N)薄膜在580°C退火25 min能獲得相對較優(yōu)的p型性能,其空穴濃度達到1.27×1018 cm-3,遷移率和電阻率分別為2.39cm2?V-1?s-1、2.06Ω?cm。p-ZnO:(In,N)/n-ZnO:In同質(zhì)結(jié)的I-V曲線具有明顯的整流特性,開啟電壓為2.18V。結(jié)合實驗和第一性原理計算進一步探討了In-N共摻ZnO薄膜的p型導電機理和穩(wěn)定性。結(jié)論如下:1)相對于N摻雜的ZnO,In-N共摻雜明顯提高了N在ZnO薄膜中的固溶度。InZn-NO中性雜質(zhì)帶的形成有效地“抬高”價帶頂,使N的受主能級相對變淺,變溫PL分析認為受主能級的離化能約為127me V;2)在實驗上,In-N共摻雜ZnO薄膜p型轉(zhuǎn)變的退火溫度明顯降低。CI-NEB計算表明,相對于N在ZnO中擴散勢壘2.1e V,InZn附近N在ZnO中的擴散勢壘(1.3e V)有所降低。結(jié)合XPS分析認為ZnO:(In,N)薄膜里極易形成的復合缺陷(N2-O)O和(N-O)O能夠分別在550和580°C解離;3)樣品導電性能跟蹤的結(jié)果表明:在580±10°C退火10~25min的ZnO:(In,N)薄膜p型穩(wěn)定性較好。部分樣品2年過后,載流子仍然可以保持在1017 cm-3量級。而且,按照現(xiàn)有的工藝參數(shù)能夠重復制備性能相當?shù)膒型ZnO薄膜。此外,ZnO薄膜了殘留的少量間隙Ni在常溫下容易與NO成鍵,對受主起到補償?shù)淖饔谩Ｒ虼?需要通過特定的退火工藝,盡可能消除p型ZnO薄膜里剩余間隙Ni。②對Zn1-xCuxO和Zn1-xCuxO:N(x=0.5%~5%)薄膜結(jié)構(gòu)、光、電、磁等性能進行研究,取得的結(jié)果如下:1)隨著Cu摻雜ZnO薄膜濃度增加,薄膜的電子濃度明顯下降。Zn1-XCuXO(x=0.01)薄膜為弱p型導電,空穴濃度2.371×1015cm-3,Zn1-XCuXO(x=0.005)薄膜經(jīng)過N離子注入和Ar氣氛退火30min后轉(zhuǎn)變成p型ZnO:(Cu,N)薄膜,其載流子濃度為9.155×1016 cm-3。當Cu濃度超過2%,無論Cu摻雜ZnO還是Cu-N共摻雜ZnO薄膜基本絕緣。2)本實驗制備的Zn1-xCuxO(x=2%~5%)薄膜具有室溫鐵磁性。然而,ZnO:Cu薄膜在氬氣氣氛580°C退火30min后鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?結(jié)合理論計算認為很可能是退火后薄膜中產(chǎn)生大量氧空位的原因?qū)е翪u3d和O 2p態(tài)pd雜化減弱。3)N離子注入ZnO:Cu薄膜退火后能夠增強室溫鐵磁性。主要原因是大量N離子填充O空位或替代O位,引起Cu3d和NO 2p態(tài)之間pd雜化。4)對于本實驗制備的高劑量N離子注入ZnO:Cu薄膜,當ZnO靶材中Cu的含量達到5%時,薄膜的磁化強度將趨于飽和。③基于密度泛函理論對含有本征缺陷及Cu、N摻雜的單層納米結(jié)構(gòu)ZnO電子結(jié)構(gòu)和磁性進行第一性原理計算,結(jié)果表明:1)單層納米結(jié)構(gòu)Zn25O24沒有磁性,而Zn24O25的總磁矩為1.6μB,主要來源為最近鄰O 2p電子在靠近費米能級附近的自旋極化。而且進一步研究發(fā)現(xiàn)兩個VZn之間易團聚并表現(xiàn)出鐵磁性耦合。2)單層納米結(jié)構(gòu)Zn15Cu O16具有磁性,主要來源于Cu3d和鄰近O2p態(tài)pd雜化。而Zn30Cu2O32體系中兩個CuZn易聚合并表現(xiàn)為反鐵磁性,當兩個CuZn非鄰近才有鐵磁性耦合。納米層結(jié)構(gòu)Zn32O30N2整個體系表現(xiàn)為順磁性。Cu-N共摻雜單層納米結(jié)構(gòu)Zn30Cu2O31N具有鐵磁性。體系中形成復合缺陷CuZn-NO-CuZn時能量最低,對應的復合體磁矩為1.85μB,其中兩個CuZn的磁矩都為0.62μB,NO的磁矩為0.61μB�？傊�,本文不但成功制備出p型ZnO薄膜,還得到ZnO:(In,N)薄膜p/n轉(zhuǎn)變“相圖”。在此基礎上,首次提出剩余間隙N對p型ZnO薄膜穩(wěn)定性的影響,為制備性能相對穩(wěn)定p型ZnO薄膜提供了一種行之有效的方法。另外,第一性原理計算表明Cu-N共摻有望實現(xiàn)單層ZnO的室溫鐵磁性,這為實驗制備和研究單層ZnO提供了一定的理論參考。
【關(guān)鍵詞】：ZnO薄膜 p型摻雜 In(Cu)-N共摻 稀磁半導體 室溫鐵磁性
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN304.21;TB383.2
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 緒論11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 ZnO材料物理性質(zhì)12-14
• 1.3 ZnO摻雜及其電學性質(zhì)14-17
• 1.3.1 n型摻雜14
• 1.3.2 p型摻雜14-16
• 1.3.3 阻礙ZnO形成有效p型摻雜的主要因素及其可能的解決途徑16-17
• 1.4 ZnO基稀磁半導體的研究進展17-20
• 1.4.1 過渡金屬摻雜ZnO的研究現(xiàn)狀18-19
• 1.4.2 非磁性元素摻雜ZnO稀磁半導體的研究現(xiàn)狀19
• 1.4.3 ZnO基稀磁半導體磁性機理研究進展19-20
• 1.5 論文選題的目的、意義及研究內(nèi)容20-23
• 2 ZnO薄膜的制備及表征手段23-41
• 2.1 薄膜的制備方法23-25
• 2.1.1 射頻磁控濺射原理23-24
• 2.1.2 磁控濺射的主要參量24-25
• 2.2 離子注入技術(shù)25-27
• 2.2.1 離子注入工作原理25-26
• 2.2.2 離子注入垂直投影射程分布26-27
• 2.3 退火(熱處理)27-28
• 2.4 樣品的分析和表征手段28-31
• 2.4.1 X射線衍射(XRD)分析28
• 2.4.2 霍爾(Hall)測試28-29
• 2.4.3 雙光束紫外-可見分光光度計原理29
• 2.4.4 光致發(fā)光(PL)29-30
• 2.4.5 X射線光電子能譜儀(XPS)30-31
• 2.4.6 拉曼光譜(Raman Spectra)31
• 2.4.7 超導量子干涉磁強計(SQUID)31
• 2.5 第一性原理計算的理論方法31-41
• 2.5.1 密度泛函理論簡介(DFT)31-36
• 2.5.2 MedeA軟件簡介36-37
• 2.5.3 半導體缺陷形成能的計算37-38
• 2.5.4 CI-NEB方法38-41
• 3 In摻雜和In-N共摻ZnO薄膜的制備和性能研究41-65
• 3.1 引言41
• 3.2 In摻雜和In-N共摻ZnO薄膜的制備41-42
• 3.3 ZnO:In薄膜的性能研究42-44
• 3.4 ZnO:(In, N)薄膜的性能研究44-57
• 3.4.1 退火對ZnO:(In, N)薄膜電學性質(zhì)的影響44-46
• 3.4.2 退火對ZnO:(In, N)薄膜結(jié)構(gòu)的影響46-47
• 3.4.3 ZnO:(In, N)薄膜的Raman光譜分析47-48
• 3.4.4 ZnO:(In, N)薄膜XPS光譜分析48-50
• 3.4.5 ZnO:(In, N)薄膜的光學性質(zhì)50-54
• 3.4.6 同質(zhì)PN結(jié)的制備和性能分析54-57
• 3.5 ZnO:(In, N)薄膜p型導電機理分析57-61
• 3.5.1 計算方法與參數(shù)的選擇57
• 3.5.2 計算結(jié)果及p型ZnO:(In, N)薄膜的機理分析57-61
• 3.6 ZnO:(In, N)薄膜的p型穩(wěn)定性研究61-64
• 3.7 本章小結(jié)64-65
• 4 Cu摻雜和Cu-N共摻ZnO薄膜的制備和性能研究65-79
• 4.1 引言65
• 4.2 ZnO:Cu及ZnO:(Cu, N)薄膜的制備65-66
• 4.3 ZnO:Cu薄膜的性能研究66-70
• 4.3.1 ZnO:Cu薄膜的電學性質(zhì)66-67
• 4.3.2 ZnO:Cu薄膜的XPS光譜分析67
• 4.3.3 ZnO:Cu薄膜的磁性分析67-70
• 4.4 Cu-N摻雜ZnO薄膜的性能研究70-78
• 4.4.1 ZnO:(Cu, N)薄膜結(jié)構(gòu)性質(zhì)70-71
• 4.4.2 ZnO:(Cu, N)薄膜的電學性質(zhì)71
• 4.4.3 ZnO:(Cu, N)薄膜的光學性質(zhì)71-72
• 4.4.4 ZnO:(Cu, N)薄膜XPS光譜分析72-74
• 4.4.5 ZnO:(Cu, N)薄膜的磁性分析74-78
• 4.5 本章小結(jié)78-79
• 5 單層ZnO電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的第一性原理研究79-89
• 5.1 引言79
• 5.2 計算模型與參數(shù)設置79-80
• 5.3 結(jié)果與討論80-87
• 5.3.1 本征缺陷對單層ZnO電子結(jié)構(gòu)的影響80-82
• 5.3.2 單層ZnO:N的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)82-84
• 5.3.3 單層ZnO:Cu的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)84-85
• 5.3.4 單層ZnO:(Cu, N)的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)85-87
• 5.4 本章小結(jié)87-89
• 6 總結(jié)與展望89-93
• 6.1 主要結(jié)論89-90
• 6.2 創(chuàng)新點90-91
• 6.3 后續(xù)工作與展望91-93
• 致謝93-95
• 參考文獻95-109
• 附錄109-110
• A. 作者在攻讀學位期間發(fā)表的論文目錄109-110
• B. 作者在攻讀學位期間參加的科研項目110

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 申德振;梅增霞;梁會力;杜小龍;葉建東;顧書林;吳玉喜;徐春祥;朱剛毅;戴俊;陳明明;季旭;湯子康;單崇新;張寶林;杜國同;張振中;;氧化鋅基材料、異質(zhì)結(jié)構(gòu)及光電器件[J];發(fā)光學報;2014年01期

2 范彥如;趙宗彬;萬武波;周泉;胡涵;邱介山;;石墨烯非共價鍵功能化及應用研究進展[J];化工進展;2011年07期

3 王楠;孔春陽;朱仁江;秦國平;戴特力;南貌;阮海波;;p型ZnO薄膜的制備及特性[J];物理學報;2007年10期

  本文關(guān)鍵詞：銦（銅）-氮共摻p型氧化鋅薄膜的制備和性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：391669