脉冲激光沉积制备zno薄膜及其掺杂研究

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1、摘要ZnO具有六角纤锌矿的晶体结构，是一种直接带隙的宽禁带半导体材料，室温下的带隙宽度为3．37eV，激子束缚能高达60meV。由于具有大的束缚能，激子更易在室温下实现高效率的激光发射，是一种适用于在室温或更高温度下应用的短波长发光材料。因此，在平面显示器、太阳能电池透明电极、气敏元件等光电子器件领域有着广阔的应用前景，成为半导体领域里的一个研究热点。本论文系统地研究了采用l【rF准分子脉冲激光沉积技术制备Zn0薄膜的工艺和性质，用X射线衍射(XRD)、荧光光谱(PL)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及

2、霍尔(Hall)测量等测试手段对ZnO的制备工艺和掺杂进行了分析。得到以下结论：1．在不同衬底温度下制备了ZnO薄膜，衬底温度500℃川50℃样品的XRD结果表明其都具有c轴取向的生长特性。随着衬底温度的升高，ZnO(002)衍射峰的半高宽减小，薄膜的晶体质量有所提高。600℃沉积的样品表面平整、致密，界面清晰可见。衬底温度为600℃生长的样品具有较强的紫外发射。2．在不同的氧气压力下生长了ZnO薄膜，在5Pa--60Pa氧气氛围中生长的ZnO薄膜C轴择优取向良好。当氧气压力为25Pa时，衍射峰最强，薄膜表面形貌清晰，紫外

3、峰强度增大，这可能是由于ZnO薄膜的一些性能与其中的结构缺陷有关。3．在不同的激光频率下生长ZnO薄膜，在3Hz一20Hz激光频率中生长的ZnO薄膜C轴择优取向良好。当激光频率为3Hz时，薄膜质量最好，这可能是因为激光频率对ZnO束流到达生长表面的时间间隔产生影响。4．在不同A1掺杂含量的条件下生长ZnO薄膜，砧含量为0．2卜3．7％的样品XRD结果表明其都具有c轴取向的生长特性。随着舢含量的增加，ZnO薄膜的主峰(002)逐渐变弱。从样品的霍尔测试结果表明当Al含量为1．7％时，AZO的电阻率最低，这可能是由于砧作为施主

4、态原子的加入引起了载流子浓度的增加，使电阻率降低。然而，当A1掺杂含量大于1．7％时，随着灿质量分数的进一步增加，电阻率反而上升，可能是由于砧在ZnO中有限的固溶度，过量的～原子不可能完全进入ZnO晶格中，有些舢与O作用形成了不导电的～203丛，使部分晶格处于无序状态，反而阻碍了电子的运动。关键词：ZnO薄膜；脉冲激光沉积；掺杂；光电特性Abstract、Znoisawidebandgapsemiconductorwithopticaltransparencyinthevisiblerange．It’Scrystalliz

5、esisahexagonalwurtzitestructurewith3．37eVbandgapandlargeexcitonbindingenergyof60meVatroomtemperature．ZnoisakindofverypromisingmaterialsformakingtheoptoelectronicsdevicessuchasUV／bluelight-emittingdiodesandshort-wavelengthsemiconductordiodelaserdevicesandputinappli

6、cation．Inrecentyears，thefabricationofZnofilmshasattractedaconsiderableamountofinterestduetotheirpotentialappliectioninflat·paneddisplays，solarcells，gassensorsandopticalwaveguides，whichmakesitapromisingmaterialforusinginmanyfields．Inthisthesis，aseriesofZnOfilmswere

7、preparedbynsmgaKrFexcimerlaseratdifferentdepositedcondition．preparationanddopingofZnOfilmshavebeenstudiedbyX—raydiffraction(Ⅺ㈣，photoluminescencespectra(PL)，scanelectronmicroscopy(SEM)，atomicforcemicroscopy(AFM)andHaumeasurements．Theresultsareasfollows：I．TheZnOfilm

8、swerepreparedatdifferentsubstratetemperature．XRDresultssuggestedthatallsampleshavec-axisorientation．Asthesubstratetemperaturechangesfrom500"Cto650*(2，th