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《邊繼明-P型ZnO摻雜理論與實驗研究進展.doc》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、P型ZnO摻雜理論與實驗研究進展邊繼明(大連理工大學物理與光電工程學院,遼寧大連116024)摘要:ZnO是一種多用途的半導(dǎo)體材料,一直受到國內(nèi)外學術(shù)界的廣泛關(guān)注。自1997年發(fā)現(xiàn)ZnO薄膜的室溫紫外光發(fā)射以來,ZnO薄膜的制備及其光電子特性的研究成為新的研究熱點。由于ZnO薄膜中存在較強的自補償機制,使得很難有效地進行p型元素的摻雜。本文介紹了ZnO薄膜p型摻雜的理論和國內(nèi)外通用的摻雜方法,對不同方法制備的p型ZnO薄膜的特點進行了比較分析。關(guān)鍵詞:ZnO薄膜;p型摻雜;自補償效應(yīng)中圖分類號：TN957.52文獻標識碼：A1引言ZnO是一種
2、新型的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料,為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO具有許多優(yōu)異的特性，如高的熔點和熱穩(wěn)定性，良好的機電偶合性能，較低的電子誘生缺陷，而且原料易得廉價，無毒性，而且，作為一種壓電、壓敏和氣敏材料，ZnO較早便得以研究和應(yīng)用。ZnO薄膜,特別是c軸取向的ZnO薄膜,具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)、光學和電學特性[1～3],而且,相對于其他寬禁帶半導(dǎo)體如GaN,ZnO具有更高的激子束縛能,室溫下為60meV,激子增益也可達300,是一種理想的短波長發(fā)光器件材料[4,5],在LEDs、LDs等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力。ZnO薄膜作為一種新型的半導(dǎo)體材料，在
3、很多方面值得深入研究，如：如何改進生長工藝，提高薄膜的純度，降低薄膜缺陷密度；如何實施摻雜，提高薄膜的穩(wěn)定性，改善薄膜性能，實現(xiàn)ZnO的P型轉(zhuǎn)變；ZnO單晶薄膜、納米薄膜和ZnO低維材料的研究而P型摻雜一直是其研究中的主要課題。摻Al、Ga、In、F形成的n型ZnO具有優(yōu)異的性能[6～9]，ZnO的P型摻雜很早便引起了研究人員的注意，1983年，T.Yamamoto首先對其進行了理論探討[10]，同年，M.Kasuga等人無意中觀察到了低溫（5K）下本征ZnO薄膜的P型轉(zhuǎn)變[11]。但此后很長一段時間，ZnO薄膜的P型摻雜研究一直沒有什么進展
4、，這主要是由于ZnO存在諸多本征施主缺陷，如間隙鋅Zni和空位氧Vo，其能級分別位于導(dǎo)帶底0。05eV和0。3eV處（圖1），對受主產(chǎn)生高度自補償效應(yīng)，而且，ZnO受主能級一般跟深（N除外），空穴不易于熱激發(fā)進入價帶，受主摻雜的固溶度也很低，因而難以實現(xiàn)P型轉(zhuǎn)變；其次，ZnO薄膜生長技術(shù)還不夠成熟，不能滿足其P型摻雜的需要；再者，ZnO同質(zhì)結(jié)的實現(xiàn)，主要是用于LEDs、LDs等光電器件，雖然在多年前便報道了低溫下電致泵浦ZnO提材料的紫外受激發(fā)射，但隨著溫度升高，發(fā)射強度迅速降低，ZnO在光電領(lǐng)域的研究也一直沒有取得大的進展，這也影響了ZnO
5、薄膜P型摻雜的研究。2p-ZnO薄膜的研究現(xiàn)狀[12]本征ZnO薄膜為高阻材料,電阻率高達Ω·cm,由于ZnO薄膜易形成氧空位和鋅填隙原子,這些缺陷在ZnO晶帶中引入施主能級,使ZnO薄膜呈n型。通過摻雜可以改變n型ZnO薄膜的禁帶寬度和電阻率。常見的摻雜元素包括第Ⅲ族元素(B,Al,Ga,In),Ⅳ族元素(Si,Ti,Ge,Zr,Sn,Hf,Pb),Ⅴ族元素(N,P,As,Sb,Bi),稀土元素(La,Pr)以及Li,對ZnO中摻Al研究得較為充分。目前對于n型ZnO薄膜的電學性能研究已經(jīng)比較充分,要使ZnO薄膜制成可以實用的光電器件,必須
6、制備ZnO的p-n結(jié)。目前人們對于ZnO材料中的各種缺陷對材料性能的影響尚不太清楚,而p型ZnO薄膜的制備又有很大的難度,因此,對ZnO薄膜中缺陷的研究及n型ZnO的轉(zhuǎn)型,將成為今后的研究重點。制備高阻或低阻p型ZnO薄膜需要摻雜施主或受主雜質(zhì)。摻雜的方法一般有生長后的熱擴散方法、生長過程中的氣相摻雜和離子注入等方法,但較常用的一般為熱擴散法和生長過程中的氣相摻雜方法。ZnO中的本征缺陷共有6種形態(tài):(1)氧空位Vo;(2)鋅空位;(3)反位氧(即鋅位氧);(4)反位鋅(即氧位鋅);(5)間隙位氧;(6)間隙位鋅。在纖鋅礦結(jié)構(gòu)中含有兩種間隙位
7、:四面體配位(tet)與八面體配位(otc)。形成能低表明易形成相應(yīng)的缺陷。對于一般費米能級位置較高的n型ZnO,最易產(chǎn)生的缺陷是氧空位和鋅空位,其次是八面體配位的間隙鋅。而對于費米能級位置較低的p型ZnO,最易產(chǎn)生的缺陷是鋅空位與反位氧。p型摻雜的困難在于:首先,p型摻雜需要較高的馬德隆能。在ZnO中,鋅的負電性為1.65,而氧的負電性為3.44,兩者之差達到1.79,因此ZnO是一種離子晶體。它結(jié)晶的難易程度取決于馬德隆能的大小。n型摻雜時馬德隆能降低,所以容易進行;而p型摻雜使馬德隆能增加,造成p型摻雜比較困難。其次是由于自補償效應(yīng)。摻
8、雜會引起晶格的形變,使晶格能量升高。為了釋放能量,自然出現(xiàn)反型缺陷,使材料仍呈中型,這就是自補償現(xiàn)象。摻雜形成反型缺陷的過程是體系能量降低的過程,因此是體系趨于平衡
