（材料物理与化学专业论文）cu掺杂zno薄膜的结构及性质的研究.pdf

c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究 中文摘要 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究 中文摘要 z n o 作为一种优秀的半导体材料，以其直接宽禁带( 3 3 7 e v ) ，高电子激活能 ( 6 0 m e v ) 等特点，广泛的应用太阳能电池、压电薄膜、光电器件和气敏器件等方面。 近年来，人们对稀释磁性半导体( d i l u t e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s d m s ) 材料越来 越有兴趣，d m s 材料是在非磁性半导体( 如v i 族、i i v i 族或i i i v 族) 中掺杂 过渡金属( 如f e ，m n ，c o ，c r 等) ，利用载流子控制技术产生磁性的一种新型功能 材料。由于该材料表现出特殊的光电、磁光、光吸收和输运特性而广泛的应用于磁电 和自旋电子器件等。通过理论计算，一些小组发现z n o 基半导体材料可能是室温下 或更高温度下的实现铁磁性的材料。目前国内外有许多研究小组已经开展了z n o 基 d m s 的研究工作，对于其磁性起源作了深入的分析，并获得了一定的研究成果。 本文在s i 基片和石英基片上采用射频磁控溅射方法制备了不同c u 掺杂量的z n o 薄膜，研究了c u 掺杂前后对薄膜结构特征的影响及不同c u 掺杂量对薄膜的光、电、 磁学性质的影响。在实验中，用高纯度a r 气作为工作气体，用高纯z n o ( 9 9 9 9 ) 靶作为溅射靶来制备薄膜，为了实现不同的c u 掺杂浓度，在溅射靶材表面均匀贴上 c u 片，通过共溅射的方法制备z n l x c u 茁o 薄膜，可以通过改变贴在靶材表面c u 片数 量来改变掺杂量。 z n l c u x o 薄膜的x r d 和s e m 测量结果都表明，一定量的c u 掺杂( 萨0 0 5 ) 可 以提高z n o 薄膜的结晶质量，使得薄膜呈纳米柱状生长，但是随着c u 掺杂量的进一 步增加，结晶质量又会变差。从z n l c u o 薄膜的g r m a n 和p l 图谱中，发现薄膜中 存在大量的z n 间隙和o 空位的缺陷，这与c u 的掺杂有一定的关系。 在z n l 嗔c u o 薄膜的p l 谱上发现三个p l 发光峰，分别位于4 1 8 n m 、4 4 4 n m 左右 的蓝峰和5 0 0 n m 左右的绿峰，并且发光峰随着掺杂量的增加而减弱。通过分析得出， 我们认为观察到的发光峰都起源于薄膜的本征缺陷。 最后我们对z n l 哇c u , o 薄膜磁学性质进行了研究，发现薄膜呈室温铁磁性，并且 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究 中文摘要 薄膜的铁磁性随着c u 掺杂浓度的增加而减弱。z n l # u 刀薄膜的电阻率测量结果表明 薄膜呈高阻抗性，所以排除用载流子交换模型来解释磁性起源。根据前面的分析，因 此我们用b m p s 模型来解释磁性的起源。 关键词：c u 掺杂z n o 薄膜；结构；光学性质；磁学性质 作 者：陈学梅 指导老师：诸葛兰剑 吴雪梅 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质研究 a b s t r a c t t h es t u d yo ns t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fc u - z n of i l m s a b s t r a c t a sa d i r e c t l yw i d eb a n dg a ps e m i c o n g u c t o r , z n of i l mi saw e l l k n o w nm a t e r i a lw i t ha h e x a g o i l a lc r y s t a l l i n es t r a c t u r e ，w i d eb a n dg a p ( 3 3 7 e v ) a n dl a r g ee x c i t o n i cb i n d i n ge n e r g y ( a b o u t6 0 m e v ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fz n of i l m sc a nb eu s e di ns o l a rc e l l s ，p i e z o e l e c t r i c d e v i c e ，o p t o e l e c t r i cd e v i c e ，a n dg a ss e n s o r ss oo i l r e c e n t l y , t h es t u d i e sf o rd i l u t e d m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s ( d m s ) h a v en o wa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o no fm a n yr e s e a r c h e r s ， w h i c he x p l o i t s s p i ni nm a g n e t i cm a t e r i a l sa l o n g 、v i t l lt h ec h a r g e o fe l e c t r o n si n s e m i c o n d u c t o r s i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ed m sf o r m e db yr e p l a c i n gt h ec a t i o n so fi v v i ， i i v io ri i i vn o n m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r sb yt r a n s i t i o nf e ，m n ，c oa n dc rc a l le x h i b i ta n u m b e ro fu n i q u em a g n e t i c ，m a g n e t o o p t i c a l ，a n dm a g n e t o t r a n s p o r tp r o p e r t i e s ，a p p l i c a b l e f o rm a g n e t o e l e c t r o n i ca n ds p i n t r o n i cd e v i c e s s p e c i a l l y ，b a s e do nm e a nf i e l dt h e o r y ，z n o i sap r o m i s i n gc a n d i d a t ef o rp r o d u c i n gad m sw i mac u r i et e m p e r a t u r ea b o v er o o m t e m p e r a t u r e s o m eg r o u p sh a v ed o n eg r e a te f f o r t so nt h es t u d yf o rz n ob a s e dd m s a n d g o t t e nas e r i e so fr e s e a r c hr e s u l t s i nt h i sp a p e r , z n l - x c u x of i l m sw e r ep r e p a r e db yt h er a d i o f r e q u e n c ym a g n e t r o n s p u t t e r i n gt e c h n i q u eo ns is u b s t r a t e sa n dq u a r t zg l a s s e s ，t h e nw ed i s c u s st h ei n f l u e n c eo f c u - d o p e do nt h es t r u c t u r e ，o p t i c a l ，e l e c t r o n i ca n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fz n of i l m s i no b i e x p e r i m e n t ，t h es p u t t e r i n gw a sp e r f o r m e d 谢ma rg a sa n dp u r ez n ot a r g e t ( 9 9 9 9 ) f o r d o p i n gc u , w ea d h i b i t e ds o m ep i e c e so fc uo nt h ez n ot a r g e ta n du s e dc o s p u t t e r i n g m e t h o dt op r e p a r ez n l - x c u x of i l m s x r da n ds e mr e s u l t si n d i c a t et h a tz n of i l m sd o p e dw i t hm o d e r a t ec ud o p a n t o f 0 0 5 ) c a no b t a i ng o o dw u r t z i t es t r u c t u r e 晰mn a n o r o d sa l i g n e dp e r p e n d i c u l a r l yt ot h e s u b s t r a t es u r f a c e ，b u tt h es t r u c t u r eo ff i l m sb e c o m eb a d l y 诵廿lm o r ec u - d o p e d r a l n a n s p e c t r ao ff i l m ss h o wp r o m i n e n tm o d er e p r e s e n t a t i v eo fs n l 】c t i l r aid e f e c t ss u c ha so x y g e n i l l c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质研究 a b s t r a c t v a c a n c i e sa n dz ni n t e r s t i t i a l s f r o mt h ep ls p e c t r u mo ft h ez n l # u x of i l m s ，w ef o u n dt h r e ep lp e a k sa t418 n m ， 4 4 0 n ma n d5 0 0 n m ，r e s p e c t l y a n dt h ep lp e a k sd e c r e a s e d 而t hi n c r e a s i n gc u c o n c e n t r a t i o n 。w et h o u g h tt h a tt h ep e a k sw ef o u n di np ls p e c t r u mm a yb ed u et ot h e d e f e c t so ff i l m s r tf e r r o m a g n e t i s mw a so b s e r v e di nt h e s e f i l m sa n ds a t u r a t i o nm a g n e t i cm o m e n t d e c r e a s e s 谢t hc uc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g o na d d r e s s i n go ft h eo r i g i no ff e r r o m a g n e t i s m i nt h ef i l m s ，t h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c eo fc o r r e s p o n d i n gf i l m sw a sm e a s u r e d mi n s u l a t i n g n a t u r eo ff i l m sr u l e so u tf r e e - c a r r i e rm e d i a t e dm e c h a n i s m ，w h i c hi su s e dt oe x p l a i nt h e o b s e r v e df mi nd m sb ys o m eg r o u p b a s e do l lt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h eo r i g i no f f e r r o m a g n e t i s mf o rt h e s ei n s u l a t i n gf i l m sc o u l db ee x p l a i n e db yb m p m o d e l k e y w o r d s ：c ud o p e dz n of i l m s ；s t r u c t u r e ；o p t i c a lp r o p e r t i e s ；m a g n e t r o np r o p e r t i e s i v w r i t t e nb y ：x m c h e n s u p e r v i s e db y ：l j z h u g e x m w u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：塑! 鱼检 日期：固革茎宜 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：髓堂捡目期：塑! 饯：篁叠 导师签名：l 象篷肆日期：玉立垂阻 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究第一章研究背景 第一章研究背景 氧化锌是一种具有六方结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为 3 3 6 e v ，特别是它的激子结合能高达6 0 m e v ，比室温离子化能2 6 m e v 大很多，在 目前常用的半导体材料中首屈一指。这些特性使它具备了室温下短波长发光的有利条 件；此外，氧化锌具有很高的导电性，它还和其他氧化物一样具有很高的化学稳定性 和耐高温性质；而且它的资源丰富，价格低廉，这些优点使它成为制备光电子器件的 优良材料。随后，研究学者发现了氧化锌薄膜的光生伏特效应，显示出用它制备太阳 能电池和紫外探测器的应用潜力。此外，还有人研究了氧化锌薄膜的压电、介电等特 性。目前绝大部分已经投入了生活生产。 s a t o 等人【l j 亍：2 0 0 0 年通过电子结构计算证明过渡金属原子( f e 、c o 、n i 、c r 、 m n ) 掺入z n o 中其磁距表现出铁磁有序。同时，d i e t l 等人【2 】用z e n e r 模型从理论 上计算出各种稀磁半导体( d m s ) 材料的居里温度( t c ) ，结果表明宽带隙p 型半导 体g a n 和z n o 可能是室温或者是更高的温度下铁磁性的材料。这一发现再一次掀 起了对z n o 薄膜的新一轮的研究热潮。 1 1z n o 的晶体结构特性 大部分的i i v i 族氧化物半导体结构都是立方闪锌矿结构和六方纤维锌矿结构。 z n o 晶体结构有三种：纤维锌矿( b 4 ) 、闪锌矿( b 3 ) 和岩盐( b 1 ) ，如图1 1 所示。 由j a f f e e 和h e s s 的l c a o 3 1 理论计算，z n o 的这三种结构中六方钎锌矿结构的基态 能量最低。所以在自然条件下，最易形成稳定的纤维锌矿结构。而岩盐结构只有在相 对较高的压强下才能获得，且用外延生长法无法获得该结构。 室温下，纤维锌矿结构z n o 的a 轴晶格常数范围为：0 3 2 4 7 5 n m - 0 。3 2 5 0 1 n m ，c 轴晶格常数范围为：0 5 2 0 4 2 n m 0 5 2 0 7 5 n m 。其空间点群属于c 6 v 群。图1 2 给出了钎 锌矿的结构的示意图，z n 和o 格子组成一个六方密排结构的子格子，这两个格子沿 c 轴平移0 3 8 5 n m ，形成复合格子。在其晶体的结构中，每个z n 原子与四个o ( 氧) 原 子按四面体排布。 c u 掺杂7 2 0 薄膜的结构监性质的研究 第一章研究背景 r o c k s a l t ( b i ) z i n cb l e n d e 3 ) w u r t z i t e ( 1 3 4 ) ( b ) h1 1 z n o 的晶体的二种结构 1 2z n o 晶体中的缺陷 图i2z n o 的晶体的钎锌矿结构 1 2 1z n o 晶体中的本征点缺陷及相互作用 4 1 在一般的实验条件下，生成的单晶z n o 薄膜总是含有过剩的z n 同时0 不足f 即 同时存在z q 和v o ) ，从离子扩散和缺陷大小柬考虑，间隙锌是主要的缺陷。另外有 些作者根据反应速率、扩散实验、电导率与霍尔效应认为氧空位是主要的缺陷，这些 都需要进一步从理论上来给予说明。c o h a n a f s l 等根据理论计算，采用第一性原理的 平面波赝势逼近法，对z n o 中的本征点缺陷的电学结构、原子几何结构以及形成能 进行了分析，这样得到的缺陷形成能是比较可靠的。 z n o 的本征点缺陷共有六种形态：( 1 ) 氧空位v o ；( 2 ) 锌空位v z n ；( 3 ) 反位氧( 即 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究第一章研究背景 锌位氧) o z n ；( 4 ) 反位锌( 即氧位锌) z n o ；( 5 ) 间隙氧o i ；( 6 ) 间隙锌z n i 。本征缺陷的 形成能随着费密能级的位置变化而变化。图1 3 ( a ) 和( b ) 是分别在富氧和富锌的情况 下，c o h a naf 计算的本征缺陷形成能随费密能级位置不同变化的曲线。形成能越低， 表示该缺陷越容易形成。n 型z n o 的费密能级位置一般高于p 型z n o 的费密能 级。对于n 型的z n o ，首先最容易产生的点缺陷是v o 和z n o ，其次是z n i ；而对 于p 型z n o ，最易产生的点缺陷则是v z n 和o z n 。 图1 3 ( a ) 富锌和( b ) 富氧条件下z n o d p 几种缺陷的形成能随费米能级的变化 对于n 型的z n o ，中性电荷态的氧空位v o 以及负二价电荷态的锌空位v z n 乞 具有较低的形成能。其中v o 可提供两个电子，是一种二价的施主；而v z n 。2 既不是 施主，也不是受主。中性电荷态的间隙锌z n i 是一种二价施主，根据计算它的形成能达 到1 8 e v ，远大于氧空位的形成能，不太容易形成。反位锌缺陷z n o 的形成能比z n i 稍 高一点，是个四价受主。z n o 薄膜中的自补偿是在以上三种施主和受主之间进行的。 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究第一章研究背景 所以由于大量的n 型施主缺陷的存在以及薄膜的自补偿作用 6 1 ，使得p 型掺杂甚为 困难。 1 2 2z n o 晶体中的线缺陷 s e t i a w a na 等用p m b e 方法在蓝宝石( 0 0 0 1 ) 面沉积一层z n o 层，厚度大约为 l m m ，他们发现沿c 轴方向的线缺陷主要表现在刃型位错，b u r g e r s 矢量为1 3 ( 11 2 0 ) ， 这与先前在m g o 为缓冲层上的沉积z n o 层的报道结果一致吲。此外，他们通过对样 品的计算，得到线缺陷的密度在富氧、化学计量比平衡、富锌条件下分别为6 9 3 x 1 0 9 、 2 8 3 x 1 0 9 和2 7 3 x 1 0 9 c m 五。因此他们认为在富氧的情况下，z n o 晶体的质量不如在化 学计量平衡和富锌条件下。 z n o 薄膜中的线缺陷可能成为载流子陷阱中和复合的中心，从而影响器件的性 能。比如，当二极管中含有简单的螺旋位错时，二极管就会有很高的击穿反向泄漏电 流。利用蓝宝石( 0 0 0 1 ) 面作为衬底沉积而得的z n o 薄膜，由于晶格失配较大 ( 1 8 4 ) ，存在大量的线缺陷。为了减小缺陷密度，有研究者利用g a n 或者m g o 作 为中间层减小晶格失配。 1 3z n o 薄膜的研究领域及其应用【8 】 氧化锌是一种新型的i i v i 族直接带隙宽禁带化合物半导体材料，具有优异的光 学和电学特性，具备了发射蓝光或近紫外光的优越条件。氧化锌薄膜的高电阻率与单 一的c 轴择优取向决定了它具有良好的压电常数与机电耦合系数，可作各种压电、电 声与声光器件等。 1 3 1 发光材料 半导体材料的光学特性存在本征和非本征的原因。本征发光是由材料内部的激子 激发及导带中的电子和价带中的空穴复合造成。其中激子又分成自由激子和约束激 子。而非本征发光主要和材料的掺杂和缺陷等一些外界因素有关。 氧化锌作为一种宽禁带半导体材料，它最大的用途在于短波长半导体激光。室温 下稳定的高达6 0 m e v 的激子结合能，可以实现室温或是更高温度下的激子受激紫外 4 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究 第一章研究背景 辐射发光，相对于电子空穴对的复合而言，激子发光效率最高。除了紫外发光谱，薄 膜还可以实现多种谱带的发光，其能带结构较为复杂，研究人员对其的发光机制解释 也各不相同。例如能量为2 5 e v ( 5 1 0 n m ) 的绿发光带( g l ) 一直是个有争议的发光 带，有人认为其和掺杂的杂质有关，也有人认为其和氧空位有关。 鬈 饕 蓑 囊 l 舞 彬 ：弘 ，0 8 疆螽： 经霹： ； ， 镰2 _ 爿 噫l 船z 羽 薹 1 e k i i 一一畛巴z 裂甄 霪 诤 筏 釜 孝 畿乒缝螽渤成 图1 4 低温及室温下的氧化锌薄膜的吸收及紫外的发射光谱 近几年来，随着材料生长工艺的改进，制备高质量、低缺陷的薄膜成为可能。2 0 0 1 年s c i e n c e 报道了利用z n o 纳米线制作的世界上尺寸最小的紫外纳米激光器，激射阈 值为4 0 k w c m 2 1 9 。香港科技大学汤子康【1 伽等成功实现了纳米结构氧化锌半导体的室 温紫外激光发射。该研究巧妙地利用激子在纳米结构中的量子尺寸效应以及自然生长 的微结构谐振腔，首次在纳米结构的氧化锌半导体薄膜中观测到室温紫外激光发射。 如图1 4 所示。研究发现，紫外受激发射是由激子与激子间碰撞而引起的辐射复合。 1 3 2 透明导电材料 氧化锌由于在可见及近红外区高透过率以及高电导率的特点，同时价格低廉，化 学性质又稳定使得许多研究工作者都在考虑用氧化锌作为主体材料的透明导电薄膜 来取代i t o 薄膜。研究表明，制备时氩氧气氛比大于5 时就能得到电阻率相对较低 的氧化锌溅射薄膜【l 。 5 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究 第一章研究背景 半导体氧化物薄膜z n o ：a i ( z a o ) 具有优良的光学、电学性能、高性能价格比、 无毒和稳定性较好等性能。由于z a o 的禁带宽度大于可见光子能量( 3 1 e v ) ，在可 见光的照射下不能引起本征激发，所以它对整个可见光是透明的。高度简并的z a o 膜的载流子浓度很高，表现出类金属的性质【1 2 1 。i g a s a k iy t l 3 1 等1 9 9 1 年研究了在蓝宝 石上生长z a o 薄膜的结构与电学性质，他们获得了高度择优取向的氧化锌薄膜，电 阻率范围( 1 4 3 0 ) x 1 0 - 4 q c m 之间，可以与用作透明电极的i t o 薄膜相比。 1 3 3 电声器件与声光器件 由于氧化锌属于六角钎锌矿结构，具有较高的机电耦合常数，所以氧化锌薄膜成 为表面声波( s a w ) 器件技术的一种有用材料【1 4 1 ，除了电声器件中压电效应的直接应 用外，在声光器件( 声光偏转器、调制器、滤波器等等) 往往采用压电换能器产生声波， 所以氧化锌压电晶体也是其应用领域之一【1 5 】。具有c 轴择优取向的氧化锌薄膜显示了 很强的压电和压光效应，故常用于电声和声光器件【1 6 1 ，如s a w 滤波器、a o 布拉格 偏转器等。 制备电声器件时，i e e e 高级成员h i c k e m e l lfs 认为【1 7 1 ，既需要材料具备半导体 主动器件的优势，又需要材料具有高的压电耦合效应，这就要求一种容易沉积于半导 体基体上、性能非常接近其单晶材料的压电薄膜材料。器件设计中三个主要参数：表 面波的耦合因子( c o u p l i n gf a c t o r ) 、传输速度和传输损耗都与基本的压电常数和弹性 常数有关，而这些都与氧化锌薄膜的c 轴择优取向相关联。 正如i n u k a it 所指出的，在电声器件、声光器件的研制应用中，要求氧化锌薄 膜同时具有好的压电性能、高的电阻率和高的光学透射率，而其中c 轴择优取向性强 的氧化锌薄膜就能够具有好的压电性能和高的光学透射率【1 8 1 。至于高的电阻率，可以 通过薄膜的制备工艺条件( 如采用低的氩氧比) 的控制来实现，或者通过工艺控制z n 间隙的数量来提高电阻率，也可以掺入“或者在氧气中加入氮气等方法来提高电阻 率。 1 3 4 其它领域的应用 氮化镓薄膜是目前最热门的短波长发光材料之一。氧化锌具有和氮化镓一样的钎 锌矿结构，与氮化镓的晶格失配度仅为2 2 ，在结构上是与氮化镓最接近的材料。 6 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究第一章研究背景 因而氧化锌薄膜作为生长氮化镓薄膜的缓冲层，可以很好的改进氮化镓的结构、电学 与光学性质，特别是得到高的h a l l 迁移率。作为一种具有压电效应的极性半导体材 料，氧化锌薄膜被广泛应用各类传感器和高效率器件。 1 4z n o 薄膜研究存在的问题及研究趋势 从目前国内外对氧化锌的研究现状来看，研究的主要内容包括如下几个方面： l 、在自旋电子技术中，通过控制调整电子的自旋来完成信息的读写，而不是只 用传统的电荷量，从而大大地提高了信息的读写速度。为了让自旋电子技术更好地应 用于材料中，许多研究小组开始了对稀磁半导体( d m s ) 材料的研究。d m s 材料是 在非磁性半导体( 如族、i i 族或i i i v 族) 中掺杂磁性离子，利用载流子控制 技术产生磁性的新型功能材料。而在z n o 基体里掺入过渡金属( 聊) 阳离子被理论 预言将成为室温下的稀磁半导体材料。目前已有很多文献相继报道t m ( c o 1 9 2 0 】、 m n t 2 1 1 、c 产2 1 、c u 2 3 1 、n i 【2 4 1 等) 掺杂z n o 所形成的z n l x t m x o 薄膜显示磁性。 从理论预言到实验证实，从低温的铁磁性到室温的铁磁性，人们在z n o 基d m s 材料的研究方面已经取得了很大的进展。但是还在以下几个方面存在争议：( 1 ) 薄膜 的磁性是起源过渡金属掺杂z n o 自身引起还是由过渡金属团簇引起目前尚不清；( 2 ) 实验的重复率很低，不同的制备方法甚至相同的制备方法生长的薄膜的磁性都会相差 很大。 2 、纯z n o 为天然的1 1 型半导体材料，p 型z n o 薄膜的制备一直受到广大科 研工作者的关注，p 型z n o 的实现将为z n o 薄膜在l e d s 、l d s 等光电领域的应 用奠定基础，并且为半导体行业带来深刻影响。 目前人们研究较多的p 型掺杂材料有n 、p 、a s 等v 族元素和a g 、a u 、l i 等 i 族元素，1 9 9 3 年时k a m a t aa f 2 5 】等首次利用n h 3 作为n 源进行掺杂，制备出了p 型z n o 薄膜，但是实验表明其载流子浓度很低( 1 x 1 0 1 6 c m 3 ) ，而且电阻率高达 l o o q c m ，难于满足器件应用的要求，但是这是人们首次成功制备p 型z n o ，具有 重大意义。 之后，关于z n o 薄膜p 型掺杂的研究日益升温，k a z u n o r im i n e g i s h i t 2 6 1 等人采 7 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究 第一章研究背景 用化学气相沉积法，用含有z n 和z n o 粉末作为源材料在蓝宝石上生长z n o 薄 膜，我国在p 型z n o 制备方面也取得了一定的成绩，吉林大学口7 1 、浙江大学【2 8 - 2 9 先后运用不同的工艺实现了n 源p z n o 薄膜的制备。m a t h e w 等人【3 0 j 则利用p l d 技术，6 7 3 k 下，g a 、n 共掺杂，制得p z n o 薄膜，载流子浓度5 x1 0 1 9 e m 一，室温 下电阻率为0 5q c m 。 利用不同方法可在不同衬底上通过改善成膜条件获得p 型z n o 薄膜，但是要真 正实现p 型z n o 薄膜在器件上的应用，p 型z n o 薄膜的制备技术还有待于进一步提高。 3 、缺陷行为和载流子输运特性的研究：与其他的半导体化合物相比，氧化锌材 料对缺陷的忍耐能力也很高，研究“为什么它具有这么高的能力及如何使其他材料也 具有同样高的忍耐力? ”将对半导体产业的发展具有至关重要的作用。氧化锌载流子 的输运特性直接影响到复合速率和光激发的速率，对于氧化锌及掺杂材料的载流子输 运特性的研究将关系到实用器件的实现，因此具有重要意义。 4 、高质量的氧化锌薄膜生长和现有器件的改进：高性能的器件依赖于高质量的 材料，但目前氧化锌薄膜的质量还有待于进一步的提高。对于不同器件的要求改进生 长系统从而得到高质量的材料，是目前研究的一个重要方向。在提高材料质量的基础 上，理论研究和工艺提高相结合，提高器件的质量仍将是目前研究的一个重要内容。 1 5 本文研究思路 近几年来，以z n o 为支撑的纳米发光材料和稀磁半导体材料成为研究的热点， 很多研究小组研究了m n 、v 、c r 、f e 和c o 等掺入z n o 薄膜的磁光性质。其制备的 方法也比较多，常见的有分子束外延( m b e ) 、脉冲激光沉积( p l d ) 、磁控溅射等方 法。本文用射频磁控溅射方法，成功制备不同浓度的c u 掺杂z n o 薄膜，并进行了以 下几个方面的研究： 1 、在s i 和石英基片上制备了同c u 掺杂浓度的z n o 薄膜，并研究薄膜结构及掺 杂量对薄膜结构的影响。 2 、研究了不同c u 掺杂浓度薄膜的光学性质及其发光机制。 3 、研究了不同c u 掺杂浓度薄膜的磁学性质并对其磁性的起源给于解释。 8 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究 第一章研究背景 参考文献 1 】s a t ok ，k a t a y a m ah m a t e r i a ld e s i g nf o rt r a n s p a r e n tf e r r o m a g n e t sw i t hz n o b a s e d m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s j ja p p lp h y s ，2 0 0 0 ，3 9 ：l 5 5 5 5 5 8 2 】d i e t lt ，o h n oh ，m a t s u k u r af ，e ta 1 z e n e rm o d e ld e s c r i p t i o no ff e r r o m a g n e t i s mi n z i n c b l e n d em a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r 叨s c i e n c e ，2 0 0 0 ，2 8 7 ：1019 10 2 4 【3 】j a f f eje ，s n y d e rja ，h e s sac ，e ta 1 p h y s r e v b ，2 0 0 0 ，6 2 ：1 6 6 0 1 6 6 4 【4 】林益梅，叶志镇，陈兰兰z n o 薄膜的缺陷研究进展真空科学与技术学院， 2 0 0 6 ，2 6 ( 5 ) 5 】c o h a naf ，c e d e rg ，m o r g e nd ，e ta 1 阴p h y sr e vb ，2 0 0 0 ，6 1 ：1 5 0 1 9 1 5 0 2 7 【6 】z h a n gsb ，w e ish ，z u n g e ra p h y sr e vb ，2 0 0 1 ，6 3 ：0 7 5 2 0 5 【7 】c h e nyf ，h o n gskw e n i s c hh ，e ta 1 a p p lp h y sl e t t ，2 0 0 1 ，7 8 ：3 3 5 2 3 3 5 6 8 】洪瑞金，贺洪波，邵建达宽禁带氧化锌半导体薄膜的研究进展激光与光电子 学进展，2 0 0 2 ，4 2 ( 2 ) 【9 】9 m i c h a e lh ，s a m u e lm a o ，e ta 1 r o o m - t e m p e r a t u r eu l t r a v i o l e tn a n o w i r en a n o l a s e r j 】s c i e n c e ，2 0 0 1 ，2 9 2 ：1 8 9 7 - 1 9 0 2 10 】t a n gzk ，w o n gg kl ，y upm ，e ta 1 r o o m t e m p e r a t u r eu l t r a v i o l e tl a s e re m i s s i o n f r o ms e l f - a s s e m b l e dz n om i c r o c r y s t a l l i t et h i nf i l m s 阴a p p lp h y sl e t t ，1 9 9 8 ，7 2 ： 3 2 7 0 【1 1 】g r e e n eje 溅射法生长晶体k e l l e rsp 主编罗英浩等译半导体材料及其制备 袁第七章北京：冶金工业出版社1 9 8 6 ，3 9 6 4 2 0 【1 2 】孙超，陈猛透明导电膜z n o ：a 1 ( z a o ) 的组织结构与特性材料研究学报， 2 0 0 2 ，1 6 ( 4 ) 【13 】i g a s a k iy ，i s h i k a w am ，s h i m a o k ag a g i n gc h a r a c t e r i s t i c so fc o n d u c t i n ga n d t r a n s p a r e n tt h i nf i l mo f a ld o p e dz n o 阴jv a cs o c ，19 8 7 ，3 0 ( 5 ) ：4 6 7 4 7 0 【14 】i s h i d om a c o u s t i c w a v e b a s e dv o l t a g es e n s o r s s e n s o r sa n da c t u a t o r sa ，1 9 9 4 ， 4 4 ( 3 ) ：1 8 3 1 8 9 1 5 】殷庆瑞，黎光z n o 薄膜的激光光声效应中国激光，1 9 9 2 ，1 9 ( 3 ) ：1 9 5 2 0 1 9 c u 掺杂z n o 薄膜的结构及性质的研究第一章研究背景 【16 】m a n a b ey ，m i t s u y ut z i n co x i d et h i nf i l m sp r e p a r e db ye l e c t r o n c y c l o t r o n - r e s o n a n c ep l a s m as p u t t e r i n gm e t h o d j 】ja p p lp h y s ，19 9 0 ，2 9 ( 2 ) ：3 3 4 - 3 3 9 17 】h i c k e m e l lfs m i c r o s t r u c t u r eo fz n of i l m su s e df o ra c o u s t i cs u r f a c e w a v e g e n e r a t i o n 【j 】jv a cs c it e c h n o l ，1 9 7 5 ，1 2 ( 4 ) ：8 7 9 - 8 8 3 18 】i n u k a it ，m a t s u o k am ，o n ok c h a r a c t e r i s t i c so fz i n co x i d et h i nf i l m sp r e p a r e db yr m a g n e t r o n - m o d ee l e c t r o nc y c l o t r o n r e s o n a n c es p u t t e r i n g j 】t h i ns o l i df i l m s ，19 9 5 ， 2 5 7 ( 1 ) ：2 2 2 7 1 9 】k e n j iu e d a , h i t o s l l it a b a t a , t o m o j ik a w a i 【j 】a p p lp h y sl e t t ，2 0 0 1 ，7 9 ：9 8 8 9 9 0 【2 0 】r o d ek ，a n a n ea ，m a t t a n ar e ta t j 】ja p p lp h y s ，2 0 0 3 ，9 3 ：7 6 7 6 7 6 7 8 2 1 】k i mym ，y o o nm ，p a r ki w ，e ta 1 j 】s o l i ds t a t ec o m m u n ，2 0 0 4 ，1 2 9 ：1 7 5 1 7 8 2 2 】h i r o m a s as a e k i ，h i t o s h it a b a t a , t o m o j ik a w a i ，e ta 1 阴s o l i ds t a t ec o m m u n ，2 0 0 1 ， 1 2 0 ：4 3 3 4 4 9 【2 3 】h o udl ，y exj ，z h a oxy e ta 1 j 】j a p p lp h y s ，2 0 0 7 ，1 0 2 ：0 3 3 9 0 5 2 4 】c o n g c j ，h o n gjh ，l i uqy ，e ta 1 j 】s o l i ds t a t ec o m m u n ，2 0 0 6 ，1 3 8 ：5 11 - 5 1 5 2 5 】k a m a t aa ，e ta 1 a p p lp h y sl e t t ，1 9 9 3 ，6 3 ：3 3 5 3 - 3 3 5 8 【2 6 】m i n e g i s h ik ，k o i w w a iy ，k i k u c h iy ，e ta 1 g r o w t ho fp t y p ez i n co x i d ef i l m sb y c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n j 】ja p p lp h y s ，p a r t2 ，19 9 7 ，3 6 ：l 1 4 5 3 2 7 】王金忠等，发光学报，2 0 0 3 ，2 4 ：3 3 5 【2 8 】y ez h iz h e n , l uj i a ng u o ，c h e nh a nh o n g ，e ta 1 p r e p a r a t a i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so f p t y p ez n of i l m sb yd cr e a c t i v em a g n e t r o ns p u t t e r i n g j 】jc r y sg r o w t h ，2 0 0 3 ， 2 5 ：2 5 8 2 6 3 【2 9 】w a n gc h a o ，j iz h e ng u o ，l i uk u n , e ta 1 p - t y p ez n ot h i nf i l m sp r e p a r e db y o x i d a t i o no fz n 3 n 2t h i nf i l m sd e p o s i t e db yd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n g 叨jc r y s g r o w t h ，2 0 0 3 ，2 5 9 ：2 7 9 2 81 【3 0 】j o s