AI-N共掺杂制备ZnO薄膜及其性能研究
薄膜材料的发展与应用正在人民生活的各个方面发挥着重要作用.目前,人们对薄膜材料的研究在宽禁带半导体薄膜方面发展比较突出.ZnO是一种新型的Ⅱ-Ⅵ化合物半导体材料,具有3.37eV室温禁带宽度和60meV的室温激子结合能.大量研究表明,ZnO薄膜已在表面声波器件、气敏器件、压敏器件、光探测器件以及太阳能电池领域等方面得到较为广泛的应用.制备高质量ZnO薄膜,一直是研究的核心和热点内容.本文在Si衬底上,用磁控溅射设备成功制备了纯ZnO薄膜和Al-N共掺杂ZnO薄膜,用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、Hall测试仪等方法研究了不同衬底温度、溅射功率及氮气流量条件对ZnO薄膜晶体结构、表面形貌及电学性能的影响,并在同样溅射条件下,对两种薄膜进行了AFM、XRD、Hall测试对比分析.结果表明,无论有无掺杂,ZnO薄膜都具有高度的C轴择优取向.掺杂并未改变ZnO薄膜的晶格结构,Al和N原子,只是取代了ZnO晶格结构中Zn和O的位置.无掺杂的情况下,薄膜随着衬底温度从RT增大到300℃的过程中,ZnO(002)面衍射峰的强度先增大,后减小,当衬底温度到250℃时,衍射峰强度达到最大;当溅射功率从60W增大到120W的过程中,ZnO(002)面衍射峰的强度呈先增大,后减小的趋势.当溅射功率达到100W时,衍射峰强度达到最大.在Al-N共掺杂情况下,ZnO薄膜随着衬底温度从RT增大至300℃过程中,当衬底温度到250℃时,衍射峰强度达到最大,薄膜结晶质量达到最佳,载流子迁移率达到最高,薄膜是纳米级的,粗糙度较低,平整度较好,且变化较小,维持在10nm左右.当溅射功率从60W-120W增大的过程中,ZnO(002)面衍射峰的强度不断增大,薄膜表面的晶粒尺寸和粗糙度变大,在溅射功率为100W时,迁移率有极大值为7.3cm2V-1S-1,电子载流子浓度先减少后变化不大.当氮气流量从5sccm增大至35sccm时,(002)晶面沿c轴取向生长ZnO衍射峰的20值,向大角度方向移动,氮气流量为25sccm结晶最好,薄膜具有较高的空穴载流子浓度.在同样溅射条件下,对两种薄膜进行对比分析得出掺杂ZnO薄膜表面的均匀性和致密性得到了很大程度的改善,平整度较好,且变化较小,粗糙度更小,半峰宽减小,体载流子浓度及迁移率都比纯ZnO薄膜的高.
- 作者：
- 赵文海
- 学位授予单位：
- 牡丹江师范学院
- 专业名称：
- 凝聚态物理
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2013年
- 导师姓名：
- 李敏君
- 中图分类号：
- O484.1
- 关键词：
- ZnO薄膜；Al-N共掺杂；磁控溅射；衬底温度；溅射功率
- ZnO films；Al-N doping；Magnetron sputtering；Substratetemperature；Sputtering power