施主缺陷(Zni,C)对ZnO:N薄膜光电特性的影响

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ZnO作为一种直接宽带隙半导体化合物材料,在室温下禁带宽度为3.37 eV,激子束缚能高达60 meV,在蓝/紫外发光二极管(LEDs)、激光器(LDs)以及紫外探测器等短波长发光器件领域有着巨大的应用前景。高质量的n型和p型掺杂是ZnO材料在光电领域大规模应用的关键。目前,通过Al、Ga、In等施主掺杂可获得良好的n型ZnO材料,但由于施主缺陷的影响,高质量p型ZnO制备始终难以得到令人满意的结果。  基于 N离子半径及电负性与 O较为接近,容易进入 O晶格位形成受主,N被认为是实现p型ZnO较理想的掺杂元素之一。在掺杂过程中会产生各种施主型缺陷补偿受主,对ZnO p型掺杂带来严重不利影响。众所周知,Zni和VO是影响ZnO性质的主要缺陷,但目前关于它们对p型ZnO掺杂影响的研究还很不够。除了本征施主缺陷,非故意掺杂(如H和C)也是影响p型ZnO掺杂的重要因素。  本文主要针对Zni和C施主缺陷展开研究,重点研究了它们对ZnO:N薄膜光电特性的影响以及寻找如何实现稳定的p型ZnO:N薄膜的方法。实验中采用射频磁控溅射法以N2和Ar的混合气体作为N源和溅射气体,在石英玻璃衬底上制备了不同N浓度的ZnO:N薄膜和不同C浓度的C-N共掺ZnO薄膜。借助X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱、霍尔测试等手段对ZnO:N薄膜和ZnO:(C-N)薄膜进行了表征,研究了Zni施主缺陷和C杂质对ZnO:N薄膜的影响。  本文发现用 N2和 Ar的混合气体作为溅射气体,可以对 ZnO进行有效的N掺杂。制备的ZnO:N和ZnO:(C-N)薄膜均有明显的(002)特征衍射峰,呈c轴择优取向。在N掺杂ZnO系统中,位于274cm-1附近的拉曼振动模式起源于薄膜中的Zni,与N2流量和NO受主缺陷没有直接关系。通过对ZnO:N薄膜适当退火,能够使Zni脱离Zni-NO复合缺陷,同时激活受主缺陷NO,最终使ZnO:N薄膜实现p型导电。高浓度的C杂质存在ZnO:N薄膜中会降低薄膜的结晶质量,抑制NO受主缺陷的形成,N会更优先与C成键形成类施主缺陷(CN),阻碍N相关的受主缺陷形成。
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