AI-N共掺杂制备ZnO薄膜及其性能研究

发布时间：2020-10-12 07:42

　　 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。
【学位单位】：牡丹江师范学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：O484.1
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 ZnO薄膜的晶体结构和性能与应用
        1.2.1 ZnO薄膜的晶体结构
        1.2.2 ZnO薄膜的基本性质
        1.2.3 光电方面的应用
        1.2.4 压电方面的应用
        1.2.5 气敏方面的应用
        1.2.6 压敏方面的应用
    1.3 ZnO的缺陷与掺杂
        1.3.1 ZnO的本征缺陷
        1.3.2 ZnO的n型掺杂
        1.3.3 ZnO的p型掺杂
        1.3.4 施主-受主共掺杂概述
    1.4 本文的研究内容
第2章 ZnO薄膜的制备方法及性能表征手段
    2.1 ZnO薄膜的制备方法
        2.1.1 金属有机化学气相沉积(MOCVD)
        2.1.2 溶胶一凝胶法(sol-gel)
        2.1.3 喷雾热解方法(spray pyrolysis)
        2.1.4 脉冲激光沉积法(PLD)
        2.1.5 分子束外延法(MBE)
    2.2 磁控溅射
        2.2.1 磁控溅射法概述
        2.2.2 磁控溅射原理
        2.2.3 磁控溅射的基本过程
        2.2.4 磁控溅射沉积的分类
        2.2.5 多靶磁控溅射技术
        2.2.6 辉光放电原理
    2.3 ZnO薄膜的性能表征手段
        2.3.1 X射线衍射(XRD)
        2.3.2 扫描电子显微镜(SEM)
        2.3.3 原子力显微镜(AFM)
        2.3.4 霍尔效应测试(Hall)
    2.4 本章小结
第3章 ZnO薄膜的制备与生长取向研究
    3.1 引言
    3.2 ZnO薄膜的制备
        3.2.1 实验装置
        3.2.2 衬底的预处理
        3.2.3 ZnO薄膜制备的流程
    3.3 ZrO薄膜制备及结果与讨论
        3.3.1 不同衬底温度对ZnO薄膜生长取向的影响
        3.3.2 不同溅射功率对ZnO薄膜生长取向的影响
    3.4 小结
第4章 Al-N共掺杂氧化锌薄膜的制备及表征
    4.1 引言
    4.2 不同衬底温度下Al-N共掺杂ZnO薄膜的制备
        4.2.1 衬底温度对表面形貌的影响
        4.2.2 衬底温度对薄膜结构的影响
        4.2.3 衬底温度对薄膜电学性能的影响
    4.3 不同溅射功率下Al-N共掺杂氧化锌薄膜的制备
        4.3.1 溅射功率对薄膜表面形貌的影响
        4.3.2 溅射功率对薄膜结构的影响
        4.3.3 溅射功率对薄膜电学性能的影响
    4.4 不同氮气流量下ZnO薄膜的制备
        4.4.1 氮气流量对ZnO薄膜表面形貌的影响
        4.4.2 氮气流量对ZnO薄膜结构性能的影响
        4.4.3 氮气流量对ZnO薄膜电学性能的影响
    4.5 本章小结
第5章 相同溅射条件下掺杂与非掺杂ZnO薄膜的对比分析
    5.1 引言
    5.2 Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜的制备
    5.3 Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜AFM测试对比
    5.4 Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜XRD测试对比
    5.5 Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜hall测试对比
    5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 李戈扬,施晓蓉,辛挺辉,吴亮,李鹏兴;TiN/AlN 纳米混合膜的微结构及力学性能[J];上海交通大学学报;1999年02期

2 边超,姚宁,张兰,杨仕娥,张兵临;ZnO薄膜发光特性的研究进展[J];真空与低温;2003年02期

本文编号：2837855