MgZnO:Ga材料制备及其光电性能研究

发布时间：2019-02-16 08:40

【摘要】：Mg_xZn_(1-x)O三元合金材料可以通过调节材料中Mg组分大小实现带隙从3.37eV-7.8 eV可调,同时由于其具备匹配的单晶衬底(ZnO和MgO),以及其它宽禁带半导体材料所具有的优点,使得它成为制备紫外光电探测器的热门材料之一。同时由于其在高镁组分(x0.5)下的探测波段正好处于日盲紫外UVC波段(220nml280nm),因此在日盲紫外光电探测器的研究领域具有很高的研究价值及应用前景。但是如何有效的抑制Mg_xZn_(1-x)O薄膜的相分离,使薄膜呈现单一的晶体取向以及提高薄膜的电学性能,成为了研究的关键,本文采用Ga掺杂制备MgZnO:Ga薄膜材料,来改善薄膜高镁组分下的高阻问题以及分相或单一相多晶体取向并存的问题。主要研究内容如下:首先,本文针对MgZnO:Ga薄膜的制备工艺参数进行了优化:在石英衬底上采用射频磁控溅射的方法,通过固定其它参数,分别改变溅射压强、溅射功率、氧氩比以及退火温度制备出四组薄膜样品。通过X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS),原子力扫描(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见光谱仪以及霍尔效应测试对薄膜进行研究,结果表明生长的MgZnO:Ga薄膜只出现了单一的立方相(111)取向,通过分别对薄膜的晶体质量,表面形貌以及电学和光学性能进行分析对比研究,得到制备薄膜最佳的工艺参数为:溅射压强为0.5 Pa、溅射功率为100W,氧氩比为8:32,退火温度为500°C。其次,在相同的溅射参数下,生长了未掺Ga的MgZnO薄膜,通过对比Ga掺杂制备的MgZnO:Ga薄膜,发现Ga掺杂有利于促进单一立方相的形成,且在(111)方向择优取向;同时能够增大薄膜的载流子浓度和电子迁移率。并且发现能够使薄膜的光学透射边发生蓝移,分析认为这主要是由于薄膜内部Mg组分升高和掺杂引起的Burstein-Moss效应,两者共同作用的结果。再者,研究了缓冲层(ZnO和CuO)的生长对MgZnO:Ga薄膜的影响,发现在不同的缓冲层上生长的MgZnO:Ga薄膜的晶体取向不同,并且发现薄膜样品的透射和发射光谱都发生了红移;在此基础上,制备了MgZnO:Ga基光电导器件,对其光电性能进行了研究,器件I-V特性测试发现,光照下,电导率明显上升;光电响应测试发现,当外加电压为10 V时,在220 nm处出现了响应峰,响应度达到了1.09×10~(-2) A/W,响应截止边位于230 nm处,显示出所制备的光电导型器件具有对深紫外UVC波段进行探测的能力。同时也发现Ga掺杂以及CuO缓冲层的生长,有助于提高器件的响应度。另外,在石英衬底上利用磁控溅射成功生长了p-CuO/n-MgZnO:Ga的p-n结结构薄膜,通过在无光照条件下对其进行I-V特性曲线测试,发现了较为明显的整流效应,显示出具备作为制备MgZnO:Ga基光伏型探测材料的潜力;论文最后还尝试了利用N2作为氮源通过改变氮氩比进行氮掺杂制备p型MgZnO:Ga材料,但是薄膜均呈现n型导电,因此本文对薄膜出现n型导电类型的机制进行了分析,原因是N2作为氮源进行氮掺杂时会同时引入(N)o受主型缺陷和(N2)o施主型缺陷,再加上薄膜中的Zni的本征施主型缺陷,由于自补偿效应,最终使薄膜p型掺杂失败,而呈现出n型导电类型。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.2

【参考文献】