掺钠对氧化锌薄膜p型转变的研究

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1、摘要作为一宽禁带II一Ⅵ族化合物半导体，ZnO薄膜材料的研究受到广泛的重视。ZnO薄膜材料在光电、压电、气敏传感器、集成光学、透明导电薄膜等领域具有广阔的应用。本论文采用溶胶．凝胶法在硅基片上制备了Na：ZnO薄膜，并对薄膜的结构性质、电学性能、光电性能等进行了表征。在(1oo)定向的硅片衬底上采用溶胶一凝胶法沉积Na掺杂ZnO薄膜，系统研究了掺杂量、退火温度等参数对ZnO薄膜性能的影响，运用XRD、SEM、Hall、PL等测试手段对样品进行了分析。实验表明：Na掺杂ZnO薄膜结晶性能良好。除20为32．940时出现了NaSi6的衍射峰以外，XRD图谱中只出现了六方纤锌矿结构特征

2、衍射峰。随Na+掺杂浓度由0at％提高至20at％时，ZnO薄膜的晶胞参数a和c分别由0．324和O．520nm缓慢增大至0．326和O．524nm；SEM图表明Na"ZnO薄膜表面不存在团状颗粒，晶粒约30nm，致密且均匀平整；Na掺杂ZnO薄膜呈现p．型导电特性，Na掺入量为10at％时，电阻率最低，达75．70·cm，载流子浓度为3．94x1016／em3。光致发光(PL谱)的结果发现，随Na含量的增加，带边发射峰位383．4nm处蓝移至380nm处，表明Na掺入后使得ZnO薄膜的禁带宽度变宽。且随着掺杂浓度的增加，Na：ZnO薄膜的深能级发光增强，这可能是由于Na掺入后薄

3、膜中缺陷浓度增加所致。Na：ZnO薄膜的拉曼光谱数据表明，所有样品都在329cm～、468cIIl～、580tin一、1152cnl一、2518cnl一处出现了与ZnO振动模式一致的拉曼峰。随着掺杂浓度的增加，AI(ILO)模的Raman峰位从576．20cm一处蓝移至580cm。处，这与ZnO薄膜中V，和zI广缺陷等自由载流子浓度的增加相关。E2(high)振动模的峰位从437cm。1移至于456一-,460cm。1处，说明薄膜处于较大的压应力状态，这是由于ZnO与Si衬底的热膨胀存在较大失配引起的。本实验还对Na：ZnO薄膜中出现的第二相进行了探讨。经研究，第二相物质为NaS

4、i6(SodiumSilicon)系硅笼化合物(Siliconclathrates)。实验制备了Na离子和Na／Zn离子(Zn离子浓度5at％)两组溶胶，采用旋涂工艺在Si(100)衬底上VI制备了硅笼化合物薄膜。结果表明，在600℃以下热处理的样品形成了一层厚度约100nm的硅笼化合物薄膜，该薄膜沿(321)方向定向。热处理温度高于640℃，该硅笼化合物消失。两组样品(321)晶面的XRD衍射峰均尖锐狭窄，其摇摆曲线的半峰全宽(FWHM)也很窄，分别为O．810和0．830，说明该薄膜的结晶性能优异。Hall效应测试结果表明，硅笼化合物薄膜在600℃热处理后为r1．型导电，在6

5、40℃热处理后为p．型导电。薄膜的I--V测试结果表明硅笼化合物与金属Al电极之间存在肖特基接触势垒，Al电极与薄膜为非欧姆接触。关键词：ZnO薄膜；S01．gel法；p一型导电；Na掺杂；硅笼化合物VIIABSTI认CTInrecentyears，ZnOthinfilms，withdirectbandgapof3．37eV,havereceivedconsiderableattentionduetotheirremarkablepropertiesappliedinpiezoelectric，optoelectronicdevicesandgassensors．Inthispa

6、per,Na+-dopedZnOthinfilmswerepreparedonSi<100>substratebysol—gelmethodusingzincacetateandsodiumcarbonateasstartingmaterialsandtheeffectsofthegrowthconditionsonthestructural，electricalandopticalpropertiesofthefilmshavebeeninvestigatedbyXRD，SEM，PLandRamanspectrometeranalysis．TheXRDresultsshowth

7、atNa：ZnOthinfilmshaveupstandingcrystallizationproperties．BesidesasecondphaseofNaSi6siliconclathratewithasharpandstrongpeakat20valueof32．980，thereonlyexistsZnOwurtzitephaseintheXRDspectra．WiththeincreaseofNadopantconcentration，thelatticeparame