本征点缺陷对ZnO薄膜室温铁磁性及p型导电的影响

发布时间：2020-09-12 11:23

　　 氧化锌(ZnO)作为Ⅱ-Ⅵ直接宽带隙(3.37eV)半导体材料,室温下其禁带宽度与氮化镓(GaN)相近,激子束缚能高达60 meV,是GaN(约25 meV)的两倍之多,有望实现室温激子型发光器件和低阈值激光器件,是继GaN之后最具竞争力的蓝光或紫外光电器件材料,被广泛应用于短波长光电器件领域及稀磁半导体材料。关于ZnO材料的研究,目前存在争议较大的方向主要有两个:首先是ZnO在稀磁半导体中的应用,特别是d~0铁磁性的来源存在很大争议。大部分的研究者都认为未掺杂的ZnO薄膜的室温铁磁性跟ZnO内部的本征点缺陷如(V_(Zn)、V_O、Zn_i、O_i)密不可分,但他们彼此的结论相互矛盾。其次是关于ZnO薄膜的p型掺杂,主要是其p型转变及其稳定性的机理尚不明晰。虽然随着研究进程的深入人们逐渐回归本质,认为ZnO内部的点缺陷对其有重要作用,但仍没有一个统一的结论。基于以上两个问题,本文做了两个不同实验进行探究。第一个实验是采用射频磁控溅射技术在a-、c-m-和r-四个蓝宝石衬底面上分别制备了纯ZnO薄膜;第二个实验是借助射频磁控溅射、离子注入及退火技术分别制备了大量的In-N共掺p型ZnO薄膜,其中部分样品还会通过后期低温加速处理。二者都结合现代检测技术对ZnO薄膜内部缺陷的调控、p型转变机制及其稳定性等相关方面开展了一系列的研究工作,得到以下主要结论:(1)不同晶面取向的蓝宝石衬底对纯ZnO薄膜的缺陷种类和密度有较大影响。其中a面蓝宝石基底上的ZnO薄膜缺陷密度最大;c面蓝宝石基底上的ZnO薄膜更容易产生V_O缺陷,V_O浓度最高。(2)未掺杂ZnO薄膜中观察到的d~0铁磁性跟ZnO薄膜的内在缺陷无关,很有可能来源于ZnO/Al_2O_3界面效应。(3)改变传统的一次性退火实现p型薄膜的工艺,采用两步退火法,包括时间和气氛改变,能大幅提高p型ZnO:In-N薄膜的成功率,从20%提高到90%以上。(4)高温退火获得的p型样品,其性能并未到达峰值。后期的低温处理仍能消除薄膜内的部分间隙Zn,进一步提高薄膜的p型导电性能。但随着热处理次数的增加,p型ZnO薄膜中间隙Zn缺陷反而上升(不断补偿空穴),最终向n型导电转变。即是说,间隙Zn缺陷是导致ZnO:In-N薄膜p型转变的重要因素,同时对于其p型稳定性也至关重要。
【学位单位】：重庆师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.2;TQ132.41
【部分图文】：

图 1.1 ZnO 三种晶体结构Fig.1.1 Three types of ZnO crystal structures：（a）hexagonal wurtzite；（b）cubic zinc blende；（c）cubic rocksalt.（c）六方纤锌矿（a）四方岩盐矿 （b）立方闪锌矿

图 2.1 电子在靶面运动的坐标系以及二次电子沿环形跑道做旋轮线运动 The coordinate system of electrons moving on the target surface and the secondary emaking the rotary line motion along the circular runway.实验中用到的真空镀膜设备是射频磁控溅射镀膜仪，其工艺流程图

图 2.2 磁控溅射工艺流程图g. 2.2 Flow technics of radio frequency magnetron sputtering.技术

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本文编号：2817566