N掺杂ZnO的缺陷识别与物性调控
发布时间：2021-03-09 07:43
ZnO由于其室温下激子稳定存在,因此是一种具备高效发光性能的宽禁带半导体材料.然而,由于ZnO材料本征缺陷种类繁多、性质复杂,且缺乏合适的p型掺杂剂,其出色的光电性能一直未得到应用.近年来,越来越多的研究工作指出, ZnO的材料性质极大程度依赖于其中杂质缺陷的组成,因此对ZnO中缺陷的种类识别和调控手段的研究成为ZnO材料走向应用前待解决的重要问题.本文结合近年来的研究进展,介绍了ZnO中各类本征缺陷的性质和调控手段,指出了N掺杂ZnO体系中受主的主要来源,获得了抑制补偿施主和诱导浅受主的一系列有效方法.在此基础上,提出了等价元素-受主共掺技术,实现了ZnO纳米材料的p型掺杂及同质结LED,并进一步拓展了ZnO纳米材料应用于存储器和宽频光探测器.
【文章来源】：科学通报. 2020,65(25)北大核心
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
(网络版彩色)N2O流量分别为1和4 sccm(standard cubic centi-meter per minute,mL/min)生长的ZnO微纳米柱样品的EPR谱.插图为ZnO微纳米柱及EPR测试条件示意图
Zn位的N复合体的形成可能有如下几点原因:(1)由于采用N2O作为氮源,N2之间具有天然的键合,易于以整体形式掺入薄膜.(2)根据文献[26]中关于(N2)Zn形成的解释,首先需要NO迁移至Zn位形成NZn,NZn再进一步捕捉游离的N而形成(N2)Zn.本实验设计的富氧条件使得NZn的形成比NO更容易,因此可以跳过NO迁移至Zn位形成NZn的过程,从而增加形成(N2)Zn的可能.(3)锌位氮复合体与周围的氧存在弱键合,该键合的存在可以进一步减小锌位氮和锌空位之间的排斥作用,从而促进氮复合体进入锌空位形成替位杂质.图4中还可以看到N2O流量对空穴浓度的调制,这种调控的实质是对生长过程中有效VI/II比的调控,随着N2O流量的增加,生长气氛中活性O原子数量增加使得VI/II比增加.进一步增加N2O含量,使最终N2O气氛决定了生长环境中的VI/II比.因此,在增加N2O流量的过程中,VI/II比呈现先增加后减小的趋势.样品C在最高的VI/II比气氛中制备得到,因此锌位氮的含量最高,而NO的含量最低,如图S9中XPS结果所示.在样品的低温PL谱中,同样观察到浅受主束缚激子相关的发光峰,证明了样品中浅受主的存在.
图6(a)首先给出了富氧条件下,原位生长和热处理后的Te-N共掺ZnO薄膜的Raman光谱和XRD谱.在退火前,Raman光谱在160 cm–1附近有一个很强的振动模式对应于Te–O键的振动.考虑到XRD并没有检测到碲化物的分相,因此Te–O键的存在表明薄膜中Te占据了Zn位.退火后,该振动模式消失,意味着Te的逸出.更有意思的是,图6(b)对比了富氧条件下Te-N共掺和N单掺薄膜的N 1s XPS能谱.第1节已经多次展示了富氧条件下生长N掺ZnO的N倾向于占据Zn位,在图6(b)中对应于400 eV结合能以上的峰位.而对于富氧条件下加入Te的共掺元素,N则倾向于占据O位,这来自Te和Zn之间的电负性互补匹配,使得TeZn缺陷的形成能很小.在这种条件下,TeZn-NO复合体的形成是可以预期的.缺氧和富氧条件下的Te的XPS谱线的显著区别(图6(c))也再次证明了两种生长条件下,Te占据着完全不同的晶格位置.Te在退火后基本逸出薄膜,那么是否留下了锌空位?图S13的低温PL谱显示了退火后受主由深转浅的转变过程.图中A2X和A1X分别代表激子束缚于原位生长样品和退火后样品的受主上.插图也显示了绿带发光强度的显著提升,预示着在退火后薄膜中的确产生了大量的锌空位.
本文编号：3072522
【文章来源】：科学通报. 2020,65(25)北大核心
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
(网络版彩色)N2O流量分别为1和4 sccm(standard cubic centi-meter per minute,mL/min)生长的ZnO微纳米柱样品的EPR谱.插图为ZnO微纳米柱及EPR测试条件示意图
Zn位的N复合体的形成可能有如下几点原因:(1)由于采用N2O作为氮源,N2之间具有天然的键合,易于以整体形式掺入薄膜.(2)根据文献[26]中关于(N2)Zn形成的解释,首先需要NO迁移至Zn位形成NZn,NZn再进一步捕捉游离的N而形成(N2)Zn.本实验设计的富氧条件使得NZn的形成比NO更容易,因此可以跳过NO迁移至Zn位形成NZn的过程,从而增加形成(N2)Zn的可能.(3)锌位氮复合体与周围的氧存在弱键合,该键合的存在可以进一步减小锌位氮和锌空位之间的排斥作用,从而促进氮复合体进入锌空位形成替位杂质.图4中还可以看到N2O流量对空穴浓度的调制,这种调控的实质是对生长过程中有效VI/II比的调控,随着N2O流量的增加,生长气氛中活性O原子数量增加使得VI/II比增加.进一步增加N2O含量,使最终N2O气氛决定了生长环境中的VI/II比.因此,在增加N2O流量的过程中,VI/II比呈现先增加后减小的趋势.样品C在最高的VI/II比气氛中制备得到,因此锌位氮的含量最高,而NO的含量最低,如图S9中XPS结果所示.在样品的低温PL谱中,同样观察到浅受主束缚激子相关的发光峰,证明了样品中浅受主的存在.
图6(a)首先给出了富氧条件下,原位生长和热处理后的Te-N共掺ZnO薄膜的Raman光谱和XRD谱.在退火前,Raman光谱在160 cm–1附近有一个很强的振动模式对应于Te–O键的振动.考虑到XRD并没有检测到碲化物的分相,因此Te–O键的存在表明薄膜中Te占据了Zn位.退火后,该振动模式消失,意味着Te的逸出.更有意思的是,图6(b)对比了富氧条件下Te-N共掺和N单掺薄膜的N 1s XPS能谱.第1节已经多次展示了富氧条件下生长N掺ZnO的N倾向于占据Zn位,在图6(b)中对应于400 eV结合能以上的峰位.而对于富氧条件下加入Te的共掺元素,N则倾向于占据O位,这来自Te和Zn之间的电负性互补匹配,使得TeZn缺陷的形成能很小.在这种条件下,TeZn-NO复合体的形成是可以预期的.缺氧和富氧条件下的Te的XPS谱线的显著区别(图6(c))也再次证明了两种生长条件下,Te占据着完全不同的晶格位置.Te在退火后基本逸出薄膜,那么是否留下了锌空位?图S13的低温PL谱显示了退火后受主由深转浅的转变过程.图中A2X和A1X分别代表激子束缚于原位生长样品和退火后样品的受主上.插图也显示了绿带发光强度的显著提升,预示着在退火后薄膜中的确产生了大量的锌空位.
本文编号：3072522
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