本文關(guān)鍵詞：N-X共摻ZnO薄膜p型導(dǎo)電的形成機(jī)制與穩(wěn)定性研究

  更多相關(guān)文章： p型ZnO 形成機(jī)制及穩(wěn)定性 N離子注入 退火 第一性原理

【摘要】：氧化鋅(Zn O)作為一種直接寬帶隙半導(dǎo)體材料,室溫下禁帶寬度為3.37 eV,激子束縛能高達(dá)60 meV,有望在室溫及更高溫度下實(shí)現(xiàn)高效的激子發(fā)光,近年來在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛的研究熱潮。然而,ZnO作為新一代發(fā)光器件,仍面臨諸多困難,如:ZnO天然n型導(dǎo)電機(jī)制尚不明確;p型導(dǎo)電機(jī)制存在爭(zhēng)議;難以獲得高質(zhì)量穩(wěn)定的p型ZnO薄膜等。其中,ZnO的p型導(dǎo)電機(jī)制與穩(wěn)定性已成為ZnO研究中亟待解決的國(guó)際性難題。為此,本論文針對(duì)ZnO當(dāng)前研究中熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題,采用射頻磁控濺射制備了未摻雜、Mg、Cd摻雜n型ZnO薄膜;采用射頻磁控濺射結(jié)合離子注入及退火技術(shù)分別制備了N摻雜富鋅ZnO、Ag-N共摻及C-N共摻三類p型ZnO薄膜。結(jié)合現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)以及第一性原理計(jì)算,先后在ZnO天然n型導(dǎo)電機(jī)制,N摻雜富鋅ZnO薄膜、Ag-N共摻ZnO薄膜以及C-N共摻ZnO薄膜p型導(dǎo)電的形成機(jī)制及其穩(wěn)定性等相關(guān)方面開展了一系列的研究工作,得到以下主要結(jié)論:①發(fā)現(xiàn)ZnO拉曼275 cm-1振動(dòng)模式與鋅間隙(Zni)缺陷密切相關(guān)。Mg摻雜和Cd摻雜可分別抑制或誘導(dǎo)Zni的產(chǎn)生,控制Mg或Cd的不同摻雜濃度可實(shí)現(xiàn)ZnO薄膜中Zni濃度的有效調(diào)控。Zni缺陷的濃度決定了ZnO背景電子濃度,Zni相關(guān)缺陷是ZnO呈現(xiàn)天然n型導(dǎo)電的主要來源。②成功制備了富鋅ZnO:N薄膜,發(fā)現(xiàn)其p型穩(wěn)定性優(yōu)于常規(guī)條件下制備的非富鋅ZnO:N薄膜。富鋅ZnO:N薄膜存在一定濃度的Zni缺陷,易與NO形成Zni-2NO中性復(fù)合體結(jié)構(gòu),有效降低了受主離化能,利于獲得穩(wěn)定的p型導(dǎo)電ZnO:N薄膜。p-Zn O:N薄膜中存在(N2)O施主缺陷是導(dǎo)致其p型最終不穩(wěn)定的主要原因之一。③采用Ag-N共摻雜法獲得了ZnO薄膜的p型導(dǎo)電,空穴濃度為3.072×1016 cm-3,遷移率為2.2 cm2V-1s-1,電阻率為92.57Ωcm。AgZn-NO受主復(fù)合體的形成是Ag-N共摻ZnO薄膜的p型導(dǎo)電機(jī)制。盡管ZnO:(Ag,N)薄膜的p型導(dǎo)電能維持超過四個(gè)月,但其導(dǎo)電性能明顯出現(xiàn)衰減現(xiàn)象,p型薄膜在常溫下能自發(fā)形成(N2)O施主缺陷是導(dǎo)致p型不穩(wěn)定的主要原因之一。此外,結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)揭示了氧空位是Ag-N共摻ZnO體系具有室溫鐵磁性的來源。④第一性原理研究發(fā)現(xiàn)在N離子注入ZnO時(shí),未占據(jù)氧空位的N極易與晶格O結(jié)合形成(NO)O施主缺陷,在后期退火過程中復(fù)合體中N相比O更容易先發(fā)生擴(kuò)散形成“自由”移動(dòng)的間隙離子。移動(dòng)的間隙N離子除了尋找未被占據(jù)的氧空位形成NO受主外,剩余的間隙N離子在退火結(jié)束失去能量后易與周圍的晶格O結(jié)合再次形成(NO)O或者與晶格N結(jié)合形成(N2)O等施主復(fù)合體缺陷,不利于ZnO的p型導(dǎo)電及其穩(wěn)定性。進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明適當(dāng)向ZnO中引入一定濃度的C雜質(zhì),能有效地束縛離子注入時(shí)未占據(jù)氧空位的間隙N離子形成(CN)Zn受主復(fù)合體,避免了間隙N與晶格O結(jié)合形成(NO)O施主缺陷。采用C-N共摻法制備的ZnO薄膜的p型性能及其穩(wěn)定性都明顯得到提升。
【關(guān)鍵詞】：p型ZnO 形成機(jī)制及穩(wěn)定性 N離子注入 退火 第一性原理
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN304.21
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 緒論10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 ZnO的基本性質(zhì)11-13
• 1.3 p型ZnO材料的研究進(jìn)展13-22
• 1.3.1 ZnO材料p型摻雜及器件的研究進(jìn)展13-20
• 1.3.2 N摻雜ZnO的p型穩(wěn)定性的研究進(jìn)展20-22
• 1.4 論文的選題依據(jù)及研究?jī)?nèi)容22-24
• 2 ZnO薄膜的制備及表征方法24-38
• 2.0 引言24
• 2.1 ZnO薄膜的制備24-26
• 2.1.1 射頻磁控濺射原理24-26
• 2.1.2 樣品制備流程26
• 2.2 離子注入及退火26-29
• 2.2.1 離子注入技術(shù)26-28
• 2.2.2 退火(熱處理)28-29
• 2.4 樣品的分析和表征手段29-38
• 2.4.1 X射線衍射29-30
• 2.4.2 霍爾測(cè)試30-32
• 2.4.3 雙光束紫外-可見光分度計(jì)32-33
• 2.4.4 X射線光電子能譜33-35
• 2.4.5 二次離子質(zhì)譜35-36
• 2.4.6 拉曼光譜36-37
• 2.4.7 光致發(fā)光譜37
• 2.4.8 超導(dǎo)量子干涉磁強(qiáng)計(jì)37-38
• 3 Mg、Cd摻雜ZnO薄膜的制備及間隙鋅缺陷的調(diào)控38-48
• 3.1 引言38
• 3.2 未摻雜和Mg、Cd摻雜ZnO薄膜的制備38-39
• 3.3 Zni缺陷的調(diào)控及對(duì)ZnO薄膜電學(xué)性質(zhì)的影響39-46
• 3.3.1 ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性39-40
• 3.3.2 ZnO薄膜的拉曼特性40-42
• 3.3.3 ZnO薄膜的元素成分42-45
• 3.3.5 ZnO薄膜的電學(xué)特性45-46
• 3.4 本章小結(jié)46-48
• 4 N摻雜富鋅ZnO薄膜p型導(dǎo)電的形成機(jī)制與穩(wěn)定性研究48-58
• 4.1 引言48-49
• 4.2 N摻雜富鋅ZnO薄膜的制備49
• 4.3 N摻雜富鋅ZnO薄膜p型導(dǎo)電的形成機(jī)制49-55
• 4.3.1 ZnO:(Zn-N)薄膜的電學(xué)特性49-50
• 4.3.2 ZnO:(Zn-N)薄膜的元素成分分析50-51
• 4.3.3 ZnO:(Zn-N)薄膜的拉曼特性51-52
• 4.3.4 N摻雜富鋅ZnO薄膜p型導(dǎo)電的形成機(jī)制52-55
• 4.4 N摻雜富鋅ZnO薄膜p型導(dǎo)電的穩(wěn)定性55-56
• 4.5 本章小結(jié)56-58
• 5 Ag-N共摻ZnO薄膜p型導(dǎo)電機(jī)制、穩(wěn)定性與室溫鐵磁性研究58-82
• 5.1 引言58-59
• 5.2 Ag-N共摻ZnO薄膜p型導(dǎo)電的形成機(jī)制與穩(wěn)定性59-69
• 5.2.1 Ag-N共摻ZnO薄膜的制備59-60
• 5.2.2 Ag-N共摻ZnO薄膜p型導(dǎo)電的形成機(jī)制60-64
• 5.2.3 Ag-N共摻ZnO薄膜p型導(dǎo)電的穩(wěn)定性64-69
• 5.3 Ag-N共摻ZnO薄膜的室溫鐵磁性69-79
• 5.3.1 理論計(jì)算和ZnO:(Ag, N)薄膜的制備69
• 5.3.2 Ag-N共摻ZnO體系磁性的理論預(yù)測(cè)69-75
• 5.3.3 氧空位調(diào)控Ag-N共摻ZnO薄膜的室溫鐵磁性75-79
• 5.4 本章小結(jié)79-82
• 6 C-N共摻ZnO薄膜p型導(dǎo)電的形成機(jī)制與穩(wěn)定性研究82-96
• 6.1 引言82
• 6.2 N在離子注入ZnO中的行為及消除間隙N的方案設(shè)計(jì)82-88
• 6.2.1 理論計(jì)算參數(shù)82
• 6.2.2 N在離子注入ZnO中的行為82-84
• 6.2.3 消除間隙N的理論方案設(shè)計(jì)84-88
• 6.3 C-N共摻ZnO薄膜p型導(dǎo)電的形成機(jī)制與穩(wěn)定性88-95
• 6.3.1 C-N共摻ZnO薄膜的制備88-90
• 6.3.2 C-N共摻ZnO薄膜p型導(dǎo)電的形成機(jī)制90-94
• 6.3.3 C-N共摻ZnO薄膜p型導(dǎo)電的穩(wěn)定性94-95
• 6.4 本章小結(jié)95-96
• 7 總結(jié)與展望96-100
• 7.1 主要結(jié)論96-97
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)97
• 7.3 展望97-100
• 致謝100-102
• 參考文獻(xiàn)102-118
• 附錄118-120
• A. 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄118-120
• B. 作者在攻讀學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目120

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 王楠;孔春陽;朱仁江;秦國(guó)平;戴特力;南貌;阮海波;;p型ZnO薄膜的制備及特性[J];物理學(xué)報(bào);2007年10期

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本文編號(hào)：938145