热氧化氮化锌制备p型氧化锌及其光电特性的研究

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1、硕士学位论文热氧化氮化锌制备p型氧化锌及其光电特性的研究STUDYOFTHEOPTICALANDELECTRICALPROPERTIESOFp-ZnOTHINFILMSFABRICATEDBYTHERMALLYOXIDINGZn3N2PRECURSORS尹彬哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：O484.4学校代码：10213国际图书分类号：538密级：公开理学硕士学位论文热氧化氮化锌制备p型氧化锌及其光电特性的研究硕士研究生：尹彬导师：李炳生教授申请学位：理学硕士学科：凝聚态物理所在单位：物理系答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Cla

2、ssifiedIndex:O484.4U.D.C:538DissertationfortheMasterDegreeinScienceSTUDYOFTHEOPTICALANDELECTRICALPROPERTIESOFp-ZnOTHINFILMSFABRICATEDBYTHERMALLYOXIDINGZn3N2PRECURSORSCandidate：YinBinSupervisor：Prof.BingshengLiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpeciality：CondensedMatterPhysicsA

3、ffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要氧化锌（ZnO）是一种宽带隙氧化物半导体，在室温下的带隙宽度为3.374eV，并且其激子束缚能高达60meV，是实现高温激子型紫外光电子器件的重要材料。因此ZnO被认为是继GaN之后制备紫外发光二极管和紫外激光器等光电器件很有发展前途的一种材料。目前，GaN基材料的紫外发光二极管及紫外激光器已经开始商业化生产，

4、这一研究也使得三位日本科学家获得了2014年的诺贝尔物理学奖。但是，ZnO基的紫外发光器件并未能取得突破性进展。这主要是因为ZnO基材料的p-型掺杂具有相当的难度，虽然目前国际上已有很多课题组针对ZnO的p-型掺杂做了多年的研究，但是并未能够有效的解决p-型掺杂的一些基本问题。主要包括p-ZnO的热稳定性、本征缺陷的自补偿作用以及低的受主掺杂浓度。因此，能否解决ZnO的p-型掺杂问题，直接决定着ZnO材料的未来命运。本论文中，我们针对p-型ZnO的制备问题，提出利用B、N共掺的办法提高氮原子在ZnO中的固溶度及热稳定性，对B、N共掺的ZnO薄膜进行光学、电学特

5、性的研究。主要工作如下：（1）我们利用磁控溅射方法制备Zn3N2薄膜，通过在空气中热退火处理得到ZnO薄膜。采用射频磁控溅射方法，靶材为Zn靶，利用高纯Ar作为溅射气体，高纯N2（或者高纯NH3）作为反应气体，分别讨论衬底温度、气体流量比例和溅射功率对Zn3N2薄膜结晶质量的影响。我们发现当衬底温度为200°C时，溅射气体与反应气体流量比为1:1时，溅射功率为100W时制备Zn3N2薄膜的结晶质量较好。我们对NH3作为反应气体时制备的Zn3N2薄膜进行热退火处理。通过分光光度计测试以上样品的透射光谱，对其光学带隙的变化进行研究。我们得知Zn3N2薄膜的光学带隙

6、为1.3eV~2.0eV之间，退火后的ZnO带隙为3.30eV左右。Hall测量结果表明，原生Zn11cm-23N2薄膜为n型导电，电子面密度为4×10。当Zn3N2薄膜在空气中500°C-700°C条件下退火1h后，样品呈现p-型导电，其空穴面密度最高为3×1011cm-2，霍尔迁移率最高为0.7cm2/Vs。当退火温度达到800°C后，ZnO再次转变为n-型导电。这是因为N在ZnO中的固溶度很低，在退火过程中Zn-N键会随着退火温度的增加而被Zn-O键取代。（2）利用磁控溅射方法制备B掺杂Zn3N2薄膜，通过在空气中退火处理的B、N共掺ZnO薄膜。采用射频

7、磁控溅射方法，靶材为Zn靶和BN靶，利用高纯Ar作为溅射气体，高纯N2（或者高纯NH3）作为反应气体，在200°C条件下生长B掺杂Zn3N2薄膜。使用分光光度计对样品测试透射光谱，结果表明NH3作为反应气体时制备的薄膜样品光学带隙为3.63eV，通过退火处理，样品带隙逐渐减小，当退火温度为500°C-900°C时，B、N共掺ZnO的光学带隙稳定在3.2eV左右。I哈尔滨工业大学理学硕士学位论文但是由于所有样品均处于高阻态，并未能测量其Hall导电类型。对N2作为反应气体制备的B掺杂Zn3N2薄膜，通过退火后，样品光学带隙稳定在3.30eV左右。通过Hall测量

8、，在700°C下退火的样品呈现为p-型