（材料科学与工程专业论文）gan共掺p型znmgo薄膜的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 g a n 共掺p 型z r i m g o 薄膜的研究 摘要 z n o 是i i 族宽禁带半导体材料。在室温下，z n o 的禁带宽度为3 3 7e v ，激 子结合能高达6 0m g v 。m g 掺入z n o 薄膜形成的z n m g o 薄膜的禁带宽度，随着 m g 掺入量的不同，会在3 3 7 8e v 范围内连续可调，显示出z i l m g o 在紫外波段 光电器件方面广阔的应用前景。z i 州g o 应用于z i l m g o z n o 异质结、超晶格、量 子阱等光学带隙工程，可以明显提高发光效率，制得的半导体激光器可以覆盖从 蓝光到紫外光的区域。因此，z 1 1 m g o 材料的研究具有极其重要的科研意义和应用 价值。但目前关于p 型施主受主共掺杂z 州g o 薄膜的报道较少，而施主受主共 掺又是实现z n m g o 的p 型掺杂的重要方法，因此本文选择g a - n 共掺z g o 薄 膜作为研究对象。 本文采用直流反应磁控溅射技术制备了g a - n 共掺z n m g o 薄膜，主要研究了 m g 含量及工作气氛对g a - n 共掺z n m g o 薄膜性能的影响。主要的研究工作如下： 1 以n 2 0 作为氧源和氮源，玻璃作为衬底，使用含不同m g 含量的靶材制备p 型g a n 共掺z r 蝴g o 薄膜，其中靶材中g a 的含量相同。测试结果表明不同m g 含量的g a - n 共掺z i l m g o 薄膜，随着m g 含量的增加，2 0 单调增加，c 轴长度减 小。m g 掺入使薄膜的光学吸收边发生明显蓝移，说明z i m g o 薄膜禁带宽度的调 节可以通过对m g 含量的调节来实现。薄膜的h a l l 测试结果表明制备的z l 埘g o 薄 膜均实现了p 型导电性。当薄膜中m g 含量为3 时，薄膜中的载流子浓度达到最 大，为6 2 9 x 1 0 c m 3 。采用m g 含量为1 0 的靶材制备的z 洲g o ：( g a ，n ) z n m g o ：( g a ) 同质结的i v 特性测试表明其具有明显的整流特性。 2 以n 2 0 作为n 源，玻璃作为衬底，制备了p 型g a n 共掺z 洲g o 薄膜，研 究了加悄2 0 流量比对于g a - n 共掺z 洲g o 薄膜性能的影响。研究表明在 加小2 0 = 3 2 条件下生长的乃l m g o 薄膜的电学性能最优。不同加- n 2 0 流量比制备 的z 洲g o 薄膜在可见光区均具有很好的透光率及较陡的吸收边，而且吸收边的位 置并未随山悄2 0 流量比发生明显位移，说明山州2 0 流量比对禁带宽度的影响不 大。 3 以n h 3 作为n 源，玻璃作为衬底，制备了g a n 共掺z n m g o 薄膜，研究了 浙江大学硕士学位论文 g a n 共掺p 型z i l m g o 薄膜的研究 0 2 ( n h 3 + 0 2 ) 比对于g a - n 共掺z n m g o 薄膜性能的影响。研究结果表明，不同 0 2 州h 3 + 0 2 ) 比下沉积的z i l m g o 薄膜在可见光区( 九= 4 0 0 8 0 0 姗) 均有优良的透射 特性，透射率平均为9 0 ，且具有较陡的吸收边。制备的g a - n 共掺z 1 1 m g o 薄膜 在0 2 伧、h 3 + 0 2 ) = 6 0 时获得最优的p 型电学性能，电阻率为3 1 6 5q c m ，空穴载流 子浓度为1 2 7 1 0 1 7 c m 。3 ，迁移率为1 5 6c m w s 。 关键词：z i 州g o 薄膜；g a 埘共掺；直流反应磁控溅射技术；性能 浙江大学硕士学位论文 g a n 共掺p 型z i l m g o 薄膜的研究 a b s t r a c t z i l l co x i d e ( z i l o ) i sad i r e c t 、) i ，i d eb a i l d g a p 一c o m p o u l l ds e m i c o n d u c t o r m a t 甜a l 、析me go f3 3 7e va tr o o mt e r i 耻r a t u r e 锄de x c i t o nb i n d i n g e n e r g yo fu pt o6 0 m e va tr o o mt e m p e r a t u r en 忙b a i l d g a po fz r 吐g oc o u l db em o d u l a t e dd u r i n g3 3 - 7 8 e vd u et 0t h ei n c o r p o r a t i o no fm ge l 锄e n t 如di tl l a sp r o m i s i n ga p p l i c a t i o n si nt l l e f i e l d so fu l t r a v i o l e t 哪v ) l i 曲te l e c t r i c a ld e v i c e s z i l m g oc o u l dh e i g h t e n 廿1 el 啪i n o u s e m c i e n c yc l e a r l yf o ra p p l i c a t i o ni nz n m g o z n oh e t e r o j u n c t i o n ，s u p e r l a n i c e ，觚d q u 锄t l 珊w e l ls t n j c t l 珊t h e r e f o r ，t h er e s e a r c h0 nz 洲g of i l mi sv e 巧i m p o r t 锄t 锄d v a l u a b l e u m r t l m a t e l y ，t l l e r ea r e 佗wr e p o r t so nz m 以g of i l m ，e s p e c i a l l yo nc o d o p e d z n m g o f i l m i l lt l l i sp 印e r ，g a j nc o d o p e dz 洲g of i l m s 、v e r ed e p o s i t e do nd a s ss u b s t l 眦e sb y d i r e c tc u r r e n tr e a c t i v em a g n e 仃o ns p u t t e r i n g 锄dt h ee 腩c to fm gc o n t e n t ，m n 2 0 ，锄d 0 2 ( n h 3 + 0 2 ) 0 nz i l m g of i l m sw e r ei n v e s t i g a t e d 1 1 1 em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 n eg a - nc o d o p e dz 洲g of i l m sw i t hd i 脏r e mm gc o n t e n tw e r eg r o 、v no ng l a s s s u b s n 锨e s 嘶t 1 1n 2 0 硒ns o u r c ea i l dos o u r c e t h er e s u l t so fm e a s u r e m e n ts h o 、e dm a t t l l ed i 丘h c t i o na i l g l e s ( 2 e ) i n c r e a s e dm o n o t o n o u s l ya 1 1 dt l l el e n g t l lo fc - a ) 【i si n c r e a s e 诵t 1 1i n c r e 硒i n gm gc o n t e m w i t ht h ei n c o 叩o r a t i o no fm g ，t h ea b s o r p t i o ne d g es h i r st o m es h o r t e rw a v e l e n g t l ls i d ec o m p a r e dt op u r ez n of i l m s a l lt h ef i l m ss h o wd e f i n i t i v e p 一够p ec o n d u c t i v i 饥r e g a r d l e s s o ft h e m gc o m p o s i t i o n n e z 1 1 m g o ：( g 州) z n m g o ：( g a ) h o m o j u n c t i o ne x l l i b i t e sac l e a rr e c t i 匆i n gb e h a v i o r 2 t h ep t ) ，p eg a - nc o d o p e dz 洲g of i l m s 、e r eg r o 、 j r i l0 n 哲a s ss u b s 缸锄e s 、i t l l n 2 0 嬲ns o u r c e 锄dt l l ee f i e c to fa r n 2 0r a t i oo nt i l ep t ) ，p eg a - 1 qc o d o p e dz r m g o f i l m sw 雒i n v e s t i g a t e d t h eo p t i m i z e de l e c t r i c a lp r o p e n i e sw e r ea c l l i e v e dw h e nt h er a t i o o f 加n 2 0i s3 2 t h er a t i oo f 加仆1 2 0h 雒l i t t l ee f | f e c to nt l l eb a i l d g a po fz n m g of i l m s 3 t h eg a - nc o d o p e dz n m g of i l m sw e r ed e p o s i t e do ng l a s ss u b m a t e s 嘶t hn h 3 私 ns o u r c e 锄dt h ee 仃e c to f0 2 ( n h 3 + 0 2 ) m t i oo n 恤g a nc o d o p e dz n m g of i l m sw a s i n v e s t i g a t e d t h eo p t i m i z e de l e c t r i c a lp m p e n i e sw i t ht h er e s i s t i v i t ) ro f3 1 6 5q c m ，t 1 1 e h o i ec o n c e n t r a t i o no f l 2 7 l0 1 7c m 3a n d m em o b i l ho f1 5 6m 2 sw a sa c h i e v e d 、讹e n t h em t i oo f0 2 州h 3 + 0 2 ) i s6 0 1 l i 浙江大学硕士学位论文g a n 共掺p 型z n m g o 薄膜的研究 k e y w o r d s ：z n m g of i l i n s ，g a nc o d o p e d ，d i r e c tc u r r e n t 陀a c t i v em a 乒e t r o n l v 浙江大学硕上学位论文 g a - n 共掺p 型z n m g o 薄膜的研究 第一章前言 宽禁带化合物半导体z n o 作为第三代半导体材料具有很多自身的优点：首先， z n o 的激子束缚能为6 0m e v ，是g a n 的3 倍左右，因此，室温下激子稳定，更加 适合实现高效率的发光器件；其次，z i l o 制备工艺简单，生长温度低，可以用简 便的方法实现单晶薄膜的生长，体单晶的z n o 以及z n 0 单晶衬底的制备技术也已 经非常成熟。另外，z n o 的原料丰富、成本低廉、无毒、对环境无污染，是环保 型材料，同时，z n o 的高温稳定性以及抗辐射性都很好。 作为一种直接带隙宽禁带半导体材料，z n o 在光电器件领域，尤其在短波长 光电器件领域有着极大的应用潜力，如蓝紫光发光二极管( l e d s ) 和激光器( l d s ) 等， 可作为白光的起始材料。z n o 要实现在光电领域的广泛应用，首先必须获得性能 良好的n 型和p 型z n o 材料，并实现透明的z n o 同质p - n 结。高质量的n 型z n o 很容易实现，但是z n o 的p 型掺杂由于其固有的极性却非常困难，这是目前制约 z n o 实际应用的瓶颈，也是z n o 研究中面临的主要挑战。 m g 掺入z n o 薄膜形成z i 蝴g o 薄膜，随着m g 掺入量的不同，z n i x m g p 薄 膜的禁带宽度会在3 3 7 8e v 范围内连续可调，显示出z n l x m o 在紫外波段光电 器件方面广阔的应用前景。z n l 。m 敷o 与z n o 构成有效多层结构的理想三元合金 体系，z n l x m g 、o 应用于z n l 。m & o z n o 异质结、超晶格、量子阱等光学带隙工程， 可以在低维尺度内，对激子与光子进行双重限制，使得受激发射过程更有效，明 显提高发光效率，制得的半导体激光器可以覆盖从蓝光到紫外光的区域。因此， z n l 曦m g x o 材料的研究具有极其重要的科研意义和应用价值。而共掺技术具有降低 体系的m a d e j u n g 能量，有利于载流子的激活，提高载流子的迁移率等优点，因此 是实现p z n m g o 薄膜的重要方法。 在这样一个背景下，我们采用g a - n 共掺方法制备了z n m g o 薄膜，探讨了 m g 含量，工作气氛及衬底类型对于g a - n 共掺杂z 洲g o 薄膜的晶体质量、电学 性能及光学性能的影响，为z n o z 洲g o 异质结、z n o 基紫外光电器件等的实现打 下基础。 本文中所采用的薄膜生长方法为直流反应磁控溅射技术。磁控溅射法生长外 浙江大学硕士学位论文 g a n 共掺p 型z 圳g o 薄膜的研究 延薄膜具有：膜层附着力强、易于大面积成膜、成分易控、便于工业化生产等优 点，有利于制备成分可控的均匀薄膜。 在行文安排上，第一章为前言；第二章综述了z n o 、z 1 1 m g o 合金的性质及p 型z n o 和z n m g o 的研究现状；第三章介绍了直流反应磁控溅射的实验系统、靶 材的制备、实验过程和性能表征方法；第四章探讨了m g 含量对于g a n 共掺法制 备p 型z 州g o 薄膜的晶体质量，电学性能及光学性能的影响，并尝试制备了 z n m g o ：( g a ，n ) z 1 1 m g o ：g a 同质结；第五章探讨了工作气氛，衬底类型对于薄膜 性能的影响；第六章对全文作出总结。 2 浙江大学硕士学位论文q i - n 共掺p 型z n m g o 薄膜的研究 第二章文献综述 2 1z n o 的结构与性质 氧化锌( z n o ) 是一种i i 族化合物，它既是性能优良的光电、压电、热电和铁 电材料，同时也是一种新型的直接带隙宽禁带半导体材料。 z n o 与g a n 均属于第三代半导体材料，都具有直接宽禁带带隙，但是与g a n 比较，z n o 还具有以下优剧14 】。 ( i ) z n o 的激子束缚能高达6 0m e v ，比g a n ( 2 4m e v ) 高出许多，结晶质量完好 的z n o 晶体在室温下激子仍然不会分解，因此易在室温或更高温度下实现更高效 率的紫外受激发射。 ( i i ) z n o 薄膜的生长温度一般低于7 0 0 。c ，比g a n ( 生长温度1 0 5 0 0 c ) 要低得多， 这有利于降低对设备的要求和能耗。z n o 薄膜的原料丰富、成本低廉、无毒、对 环境无污染，是环保型材料。 ( i i i ) z n o 有很好的成膜特性，常用的薄膜沉积技术，如磁控溅射、p l d 、m o c v d 和m b e 等都能在较低温度( 2 0 0 6 5 0 0 c ) 下制备出具有较高结晶质量的z n o 薄膜。 z n o 在制备紫外发光二极管( l e d s ：“g h t - e m i t t i n gd i o d e s ) 和室温半导体激光 器( l d s ：l a s e rd i o d e s ) 方面具有重要的潜在应用价值。目前对z n o 的研究重点和 热点在于：( i ) 获得性能优良且稳定的p 型z n o 材料；( i i ) z n o 纳米结构的制备；( i i i ) 通过掺入m g 、c d 等元素调节z n o 的禁带宽度从而实现以z n o 为基础的量子阱和 超晶格。 2 1 1z n o 的基本结构 z n o 有纤锌矿结构，闪锌矿结构和四方岩盐矿结构三种不同的晶体结构。如 图2 1 【5 ，6 】 浙江大学硕士学位论文 g a n 共掺p 型z 1 1 m g o 薄膜的研究 r 0 c k s a n ( b 1 ) z j n cb l e n d e ( b 3 ( a )( b )( c ) 图2 1z n o 的三种晶体结构示意图( 依次为：岩盐矿、闪锌矿、纤锌矿结构) 自然条件下，其结晶态是单一稳定的六方纤锌矿( w i 】r t z i t e ) 结构，属于六方晶 系，空间群为c 6 v 4 ( p 6 3 m c ) 【6 j 。室温下，当压强达到9g p a 左右时，纤锌矿结构的 z n o 转变为四方岩盐矿结构，即n a c l 型晶体结构，体积相应缩小1 7 ，这种高压 相当外加压力消失时依然会保持在亚稳状态，不会立即重新转变为六方纤锌矿结 构【6 】。b r a g g 等人在亚稳的z n o 薄膜中还观察到了立方的闪锌矿结构【刀。由于z 1 1 0 的热力学稳定相是六角纤锌矿型晶体结构，通常情况下制备得到的都是六角纤锌 矿型晶体结构的z n o 。其分子结构的类型介于离子键与共价键之间。晶格常数为 a - 0 3 2 4 9 5r l i l l ，c = 0 5 2 0 6 91 1 i l l ，z n o 间距d ( z n o ) = 0 1 9 4 衄，配位数为4 ：4 i 引。z n o 沿c 轴方向具有很强的极性，( 0 0 0 1 ) 面和( 0 0 0 1 ) 面为两个不同的极性面【9 1 。 2 1 2z n o 的基本性质 z n o 的分子量为8 1 3 9 ，密度为5 6 0 6 咖m 。，无毒、无臭、无味，系两性氧化 物，能溶于酸、碱以及氨水、氯化铵等溶液，不溶于水、醇( 如乙醇) 和苯等有机溶 剂。熔点为1 9 7 5 0 c ，加热至1 8 0 0 0 c 升华而不分解。z n o 的基本参数如表2 1 所示 【l o - 1 2 】 o 2 浙江大学硕士学位论文 g a 州共掺p 型z i l m g o 薄膜的研究 表2 1z n o 晶体的一些物理常数( g a n 相关参考) 物理参数g a n 晶体结构( 3 0 0k ) 晶格常数a ( 3 0 0k ) 舳 0 - 3 2 4 9 5 晶格常数c ( 3 0 0k ) n m o 5 2 0 6 9 原子个数c m 3 ( 10 2 2 ) 分子量m 带隙 3 0 0 k 时的禁带宽度e g ( e v ) 密度p ( 眺m 3 ) 熔点t m ( o c ) 热导率吖( w c mk ) 热膨胀系数( 1 旷依) 如 热膨胀系数( 1 矿，i n 0 2 0 2 ， 因此n 2 0 是一种制备p z 1 1 0 的理想的氧化性气氛，经e c r 活化后，会产生活性原 子，对p z n 0 的生成起到关键性的作用，如活性o 有利于z n 的充分氧化，减少 氧空位，而活性n 幸和n 2 木能够有效实施n 的掺杂。 ( i i ) p 掺杂 有一些掺p 实现z n o 的p 型转变的报道【6 8 叫，t a o k i 、k k i m 和k i p 等人 均报道实现了p 型。t a o l ( i 等人以单晶z n o 为衬底，利用真空蒸发在其上沉积 一层z n 3 p 2 膜( 3 5 珊) ，然后置于心f ( 2 4 8 啪，2 0n s ，l5 0m j c m 2 ) 激光下进行紫外照 射，z n 3 p 2 分解为z n 和p 原子，并扩散进入z n o 晶体，p 取代o ，得到p _ z n o ， n 2 0 2 分压为4 1 0 5p a ，以防止原子的反蒸发。t a o b 还利用z n o 同质结做出l e d ， 浙江大学硕士学位论文 g a n 共掺p 型z n m g o 薄膜的研究 在1 1 0 k 的温度下观察到白紫电子荧光辐射，包括3 7 0 3 8 0 姗附近的带边辐射峰 和4 0 0 4 5 0 1 1 l n 附近由缺陷引起的展宽峰。 我们浙江大学硅材料国家重点实验室也采用m o c v d 工艺实现了p 掺杂的p 型z n o 【6 9 1 ，得到的薄膜的电学性能为：空穴浓度为2 1 0 1 7 1 0 1 8c i l l - 3 ，迁移率约为 0 1 0 - 8c m 2 s ，电阻率为4 6 4q c m 。 ( i “) a s 掺杂 美国yr i 帅小组【6 6 ，6 7 1 ，通过衬底中的a s 热扩散到薄膜中实现了p z n o 薄 膜。他们采用p l d 方法在半绝缘的( 0 0 1 ) g a a s 衬底上掺a s 也实现了z n o 的p 型 转变，0 2 分压为3 5 4 0m t o 丌，利用a 忭脉冲激光( 2 0h z ，1 9 3 姗，8 0m j ) 烧蚀，当 衬底温度在4 0 0 5 0 0 时便可直接获得p z n o 薄膜，而当衬底温度在3 0 0 4 0 0 范 围内只能生成n z n o 薄膜，随后对样品在5 0 0 下作退火处理均得到了p z n o 薄 膜，受主掺杂浓度为1 0 1 8 1 0 2 1c m 3 ，霍尔迁移率o 1 5 0c m 2 s 。 ( i v ) s b 掺杂 a o l d 等人在这方面作了一些尝试，并且也得到了p 型z n o 薄膜，不过其所 选衬底为n s i ( 1 1 1 ) 衬底，文章得到的h a l l 测试结果为：p = 8 1 0 。q c m ，n _ 5 1 0 2 0 c m 一，1 5c m 2 s ，选择s i 衬底用来测试h a l l 可能存在很大的误差。 美国的j l “u 小组【6 9 】于2 0 0 5 年报道了s b 掺杂的p 型z n o 。他们采用m b e 方法生长s b 掺杂的z n o ，低温p l 谱测试发现了位于3 3 5 8e v 处的受主激子峰， 电离能为0 2e v 。薄膜的电阻率为0 2q c m ，空穴浓度为1 7 1 0 1 8c m 。3 ，迁移率高 达2 0c m 2 厂v s 。 我们浙江大学国家重点实验室也实现了s b 掺杂的p 型z n o 【7 6 1 。我们采用脉冲 激光沉积生长的s b 掺杂z n o ，具有良好的( 0 0 2 ) 择优取向，载流子浓度在1 0 1 8c m 。 数量级，电阻率为2 4q c m 。 s b 掺入实现p 型导电性可能是由于s b 掺入z n o 中占据z n 的位置，同时诱生 2 个z n 的空位，形成s b z n 2 v z r - 的复合体结构，这种结构具有低的形成能，而且为 浅受主能级。但是s b 和a s 等元素由于引起z n o 很大的晶格畸变，因此很难作为 一种实用的方法加以应用。 9 浙江大学硕士学位论文 g a 制共掺p 型z n m 9 0 薄膜的研究 ( 4 ) 一v 族元素共掺杂 1 9 9 9 年，t n 锄o t 0 提出了施主受主共掺理论。他对电子带结构的理论计 算表明【7 7 1 ，刀型掺杂( 舢、g a 、h 1 ) 可以降低m a d e l u i l g 能量，而p 型掺杂( 却会使 之升高，活性施主( 如a l 、g a 、i n ) 与活性受主( 如n ) 实施共掺杂，可以增加n 的掺 杂浓度，亦可得到更浅的n 受主能级。图2 4 为共掺杂理论的图示说明。 _ _ d 。 i s o l a t e dd o n o f i s o l a f e d 孔c e i y t o f 2 a 二一， o v e r i a d 、，一一_ - _ _ _ _ = = = ：! ：= ：= 。_ 钮c eb a n d 加御商叫啪 ( a )嘞( c ) 图2 4 共掺杂方法禁带中受主和掩主的位置图 m j o s e p h 、h 1 a b a _ t a 等人根据共掺理论，采用p l d 技术通过g a 、n 共掺杂 成功制备出性能较为优异的p z n o 薄膜【6 1 彤】，实验用掺g a 2 0 3 的z n o 为靶材，n 2 0 经电子回旋共振活化后为n 源，以c o m i n g 拌7 0 5 9 玻璃为衬底时，电阻率为p = o 5 q c m ，受主浓度可达到n p = 5 1 0 1 9 c m 刁，而以蓝宝石为衬底时，则分别为6 1 0 刁q c m 和1 1 0 2 1c m 。3 。对样品的x p s 测试表明，n l s 和g a 2 p 电子的结合能与g a n 相接 近，且g a 和n 的比值接近l ：2 ，由此可以推测在共掺杂的z n o 薄膜中，g a 、n 形 成了n g a - n 的结构，相互之间的排斥作用减弱，因而使掺杂浓度得以大幅度提高。 研究还表明，若共掺杂气氛为n 2 或n 2 0 不经e c r 活化处理，便不能有效实施p 型掺杂，而只会得到玎z n o 薄膜。 也有一些小组报道了i n - n 共掺杂制备p 型z n o 【7 8 8 2 1 。他们利用喷雾热分解技 术以z n ( c h 3 c o o ) 2 2 h 2 0 为z n 源、c h 3 c o o n h 4 为n 源、i n ( n 0 3 ) 3 为i n 源沉积得 到了i n - n 共掺的z n o 薄膜。制备的样品的x i m 结果表明，薄膜为多晶，且无良 好的择优取向，但是其h a l l 测试结果空穴迁移率高达1 5 5c m 2 s 。这一点可能跟 l o 浙江大学硕士学位论文 g a 制共掺p 型z i l m g o 薄膜的研究 其所采用的s i 衬底有关，h a l l 测试s i 衬底上的样品反应的是s i 的信息。 我们实验室采用直流反应磁控溅射技术制备了i l l - n 共掺的p 型z n o 【8 3 1 。我们 通过生长条件的调节控制z n o 薄膜的导电类型，当温度在4 9 0 到5 8 0 之间获得 优良的p 型导电性。研究表明缓冲层的存在会优化薄膜的p 型导电性。 我们浙江大学硅材料国家重点实验室率先在国际上实现了舢- n 共掺杂方法的 z n o 的p 型转变，并作了大量的报道【8 4 拼】。我们利用直流反应磁控溅射技术来制 备砧n 共掺z n o 薄膜，以z n a l 合金为靶材，以n 2 0 或n h 3 为n 源，均实现了 良好的a l - n 共掺杂的p 型z n o 薄膜。实验结果表明z n o ：( n ，a 1 ) 薄膜具有良好的p 型导电特性，电阻率一般在1 0 0 1 0 2q c m ，而且得到的薄膜均为高度( 0 0 2 ) 择优取 向。 2 3z n m g o 的结构、性质及其研究现状 2 3 1z n l i m g x o 的结构、性质 z n o 可以与m g o 形成z n l x m o 三元合金阴，9 5 1 ，m g o 的禁带宽度为7 7 e v 。 研究表明：z n l x m g 。o 三元合金体系随着m g 含量的不同，其能带宽度在3 3 4 0e v 的范围得到调节。m g 原子的价态与z n 相同，都为二价，所以m g 对z n 的取代不 同于在z n o 中的电导掺杂，如掺a l 等，不会引起载流子浓度的巨大变化。而且 z n 2 + 的离子半径是o 7 4a ，m 孑+ 的离子半径是o 6 6a ，所以m g 原子对z n 原子的 替代并不会引起晶格常数的很大变化。当o x s 0 3 3 时，z n l x m 甑o 晶格中形成三 元合金仍然具有六角纤锌矿晶体结构、且与z n o 的晶格常数和热膨胀系数相近。 由于这减少了因品格失配造成的应力和缺陷，所以z n o 非常适于z n o 基的多量子 阱或超晶格的制备。图2 5 所示为z n o 基三元合金半导体材料禁带宽度和晶格常 数的关系m j 。 浙江大学硕士学位论文删共掺p 型z n m g o 薄膜的研究 o - 一， - 妻 羞 8 8 再 现 ，一 嚣 吉 3 3 3 1 5 c dc 讲他i l to )mgc a l 咖m 0 0 5oo 1o 2o 3 二一一 ： kg a l i j - ： j f i 掣 - 、 i l lc o m e 盘 ：舢c o n t e 二_ 、 o l ： ：9 o lo 2o 3 - l。 3 03 54 o b a n d g a p ( e v ) 图2 5z o 基和g a n 基三元合金半导体材料禁带宽度和晶格常数的关系 2 3 2z n m g o 的研究现状 合金的生长技术对m g 在z n o 中的固溶度，即对z n l x m 歇o 合金中的x 值有 影响。常用来沉积z n l x m 戥o 合金薄膜技术包括：脉冲激光沉积( p l d ) 1 9 7 吲、金属 有机气相外延( m o v p e ) 【1 吣1 0 1 】、分子束外延( m b e ) 【1 0 2 - 1 0 4 1 、溅射法( s p u n e r i n g ) 【1 0 5 1 、 电泳沉积法( e p d ) 1 嗍、溶胶凝胶法( s o l g e l ) 【1 0 7 1 。 a o h t o m o 【9 7 1 等人最早制备了具有良好的发光特性的z n i 。m g 。o 薄膜。他们是 采用p l d 生长方法在蓝宝石( 0 0 0 1 ) 衬底上外延生长出来的。在室温下的透射谱得 出在o x 0 3 6 时，带隙会随着薄膜中镁的含量线性增加；当x ：o 3 6 时，带隙为 4 1 5e v ：当0 x o 0 7 时，光致发光峰移向吸收边的低能方向，出现s t o k e s 移动。 这说明薄膜无论在结构上还是在光学性质上都具有很高的性能。 p h o l o ne n e r g y o v ) 图2 6z n l - i m g 。o 薄膜( o x 0 3 3 ) 的光致发光谱( 实线) 和吸收谱( 虚线) w i p 破i 啪l 等人用m o c v d 法以蓝宝石为衬底，以外延的z n o 薄膜为缓冲层， 生长z n l x m g x o 薄膜，生长温度为5 0 0 一6 5 0 ，x i 测试表明没有m g o 相的偏析， 荧光光谱( p l ) 测试结果表明带边发射峰的位置发生了蓝移，在p l 谱中，氧空位缺 陷引起的黄绿光峰的发射峰没有给出，无法了解所制备薄膜的氧空位缺陷的情况。 浙江大学d j q i u 等人【1 0 8 1 1 川采用电子束反应蒸发技术，在单晶s i 和单晶白 宝石衬底上分别低温生长了高质量的具有类m g o 晶体结构的立方 z n l x m 歌o ( c z n l 。m g 。o ) 薄膜和具有类z n o 结构的六方z n l ，m g 。o ( 办- z n l 。m g 、o ) 薄 膜。通过对z n l x m g 、o 薄膜的晶体微结构、成分及其深度分布的测量，分别研究 1 3 一要crlt幅一cofdj08毒 浙江大学硕士学位论文 g a 水共掺p 型z n m g o 薄膜的研究 了办z i l l - x m g x o 和c - z n l x m g x o 薄膜的形成机理。用荧光光谱( p l ) 和紫外一可见透射 谱( u v 1 ，动分析了伊z n l x m g x o 薄膜的禁带宽度与m g 含量之间的关系。 h 撇a 【1 叼等人采用m b e 制备z 1 1 m g o 薄膜及多层z n o m g o 超晶格结构， 通过改变z n o 层和m g o 层厚度，使其禁带宽度可从3 3 0e v 到4 6 5e v 转变，并 且其晶体结构保持为z n o 的纤锌矿结构。 南京大学的w 宅il i u 【9 4 1 等人用低压金属有机化学气相沉积法( l p m o c v d ) ，5 5 0 下在蓝宝石衬底上生长z n l x m 歇o 薄膜，所生长的薄膜用p l 谱测试没有发现带 边吸收峰，表现出了较差的光学性质，而退火处理使薄膜的晶体结构和光学性能 得到了显著的改善。 山东大学的张锡建【1 1 1 1 等人用射频磁控溅射法在不同衬底上制备出了z 洲g o 薄膜，所得薄膜为六角纤锌矿结构，具有( 0 0 2 ) 方向择优取向；随氧分压增加，衍 射峰的角度变大，表征薄膜表面粗糙程度的方均根粗糙度减小。室温光致发光谱 中有多个紫外及可见光致发光峰，其中3 4 4n m 发光峰应来源于近带边发射。室温 透射谱表明薄膜在可见光区具有极高的透过率，薄膜的吸收边位于3 4 0 m n 附近， 进而估算出z r m g o 薄膜的带隙宽度为3 5 9e v ，与光致发光结果一致。 s s a d o 矗w 【1 1 2 1 等人用m b e 设备生长了z n o z r m g o 异质结和量子阱，得到的 多层结构具有量子尺寸效应，h t a m p o 3 】等人也用m b e 设备制备z n m g o z n o ， 由于形成了二维电子气( 2 d e g ) ，电子的迁移率得到了加强。 h s 1 1 i b a 协等人【1 1 3 1 研究了用m b e 方法在z n o 上外延的z n l x m g 。o 薄膜的光致 发光特性，他们认为高质量的z n l 嘱m g 。o 合金薄膜是非常优越的发光器件，在高 温区域甚至比z n o 本身更优越，z n l x m 毁o 薄膜光致发光的发射带宽和振子强度 随着x 的增大而增大( 强) ，激子由于成分波动产生的局域化程度也随着x 的增大而 增强。 我们课题组很早就参与了z 1 1 m g o 薄膜的研究工作【1 1 4 ，1 15 1 ，采用脉冲激光沉积 法，生长出没有组分偏析，晶体质量好的z n l x m 欧o 薄膜( x = 0 2 ) 。研究了衬底温度 对z i l o 8 m g o 薄膜晶体质量、晶粒度大小的影响，发现最佳衬底温度为6 5 0 左 右。对3 m 铷2 0 薄膜进行了光致发光分析，发现制备的z n o 8 m g o 2 0 薄膜相对 z n o 晶体有o 4e v 的蓝移。 1 4 浙江大学硕士学位论文g a n 共掺p 型z n m g o 薄膜的研究 由于z n l - x m o 合金的带隙比z n o 的大，可以应用于紫外波段的光电器件中， 提高器件的发光效率。但是z n l x m g x o 比z n o 内部缺陷更多，电阻率也较高，不 易实现良好的p 型导电性能。 f l o r i d a 大学材料科学与工程系的d p n o r t o n 小组报道了磷掺杂( z n ，m 曲o 器 件的结构的p 型电导行为特征6 1 。他们采用p