课程设计-23-李增权

1、V V掺杂掺杂ZnOZnO块材样品的制备及表征块材样品的制备及表征23-23-李增权李增权本次演讲主要讨论两个问题一，最佳掺杂浓度一，最佳掺杂浓度二，掺杂后出现铁电性的微观原理探索（口述）二，掺杂后出现铁电性的微观原理探索（口述）研究背景v最近几十年来是电子半导体产业飞速发展的时期，最近几十年来是电子半导体产业飞速发展的时期，在过去的近在过去的近 40 40 多年里，半导体行业一直遵循着多年里，半导体行业一直遵循着摩尔定律来发展，产品性能有了飞速的提升。摩尔定律来发展，产品性能有了飞速的提升。v然而，在近然而，在近 5 5 年以及以后几年里，随着物理尺度年以及以后几年里，随着物理尺度逼近极限，

2、对工艺和技术的要求越来越高，面临逼近极限，对工艺和技术的要求越来越高，面临功耗密度、漏电流、量子隧穿效应等等问题功耗密度、漏电流、量子隧穿效应等等问题. .于是于是出现了第三代半导体材料。出现了第三代半导体材料。ZnO材料的研究现状Zn O 便是第三代半导体材料中最具有代表性的一种材料。Zn O 是具有直接带隙的-族半导体化合物，在自然界有四种基本的晶体结构：纤锌矿结构、闪锌矿结构、岩盐结构和 CsCl 结构。大约是 9.6 GPa 时向岩盐结构转变，近邻的原子数从 4 变为 6，体积对应减小了 17%。当外界压强增大200 GPa 时，向CsCl 相转变纤锌矿结构V V等过渡金属掺杂，在一定

3、的制备条件下可等过渡金属掺杂，在一定的制备条件下可以得到居里温度高于室温的铁磁性半导体以得到居里温度高于室温的铁磁性半导体. 但是，在最近的研究中发现，过渡金属掺但是，在最近的研究中发现，过渡金属掺杂存在磁性离子团簇，环境污染等等不可预杂存在磁性离子团簇，环境污染等等不可预知的问题，因此非磁性金属掺杂知的问题，因此非磁性金属掺杂 Zn O的磁的磁性（即性（即 d0铁磁性）研究也逐渐成为焦点。铁磁性）研究也逐渐成为焦点。研究中发现，其实大多数情况中，缺陷研究中发现，其实大多数情况中，缺陷（空位，间隙位等）的形成才是引起磁性或（空位，间隙位等）的形成才是引起磁性或增强磁性的关键，并且有可能导致增强

4、磁性的关键，并且有可能导致 p 型导电，型导电，同时对光学性质也有一定的影响。同时对光学性质也有一定的影响。 V掺杂 ZnO的研究 v V V（+5+5）离子半径为）离子半径为 0.59 nm 0.59 nm，略小于，略小于 Zn Zn（+2+2）离子的）离子的 0.74 nm0.74 nm，但相差不大，所以在，但相差不大，所以在 Zn O Zn O 中可以获得比较高中可以获得比较高的掺杂浓度。其相较于的掺杂浓度。其相较于 Zn2+ Zn2+可以提供更多载流子，对电可以提供更多载流子，对电学性质可以起到一定的改善作用。同时，学性质可以起到一定的改善作用。同时，V V 的的 d d 电子壳电子壳

5、层容易与局域化的层容易与局域化的 O 2p O 2p 电子杂化，对磁性有很大的影响，电子杂化，对磁性有很大的影响，而实验中也观察到而实验中也观察到 V V 掺杂对光学性质的影响。掺杂对光学性质的影响。v 掺杂浓度的影响v 当掺杂浓度低于当掺杂浓度低于 10%10%时，薄膜沿时，薄膜沿(001)(001)方向外延生方向外延生长，长，v 而当掺杂浓度达而当掺杂浓度达到到 10%10%时，时，XRD XRD 图上图上(002)(002)方向的方向的峰消失了，而发峰消失了，而发现了新的现了新的 2 = 2 = 3030 的的(100)(100)方向方向的峰，的峰，v 而掺杂浓度继续而掺杂浓度继续增大到

6、增大到 13%13%时，时，薄膜就呈现非晶薄膜就呈现非晶的结构了。的结构了。铁磁性v是由于是由于 V V 掺杂引起掺杂引起的晶格畸的晶格畸变导致的，变导致的，v还有第二还有第二相或者相或者 V V 离子之间离子之间的相互作的相互作用的影用的影响响铁电性v自发极化自发极化PsPsv剩余极化剩余极化PrPrv矫顽电场矫顽电场EcEcv从能带隙，电从能带隙，电阻率，载流子阻率，载流子浓度和载流子浓度和载流子迁移率四个方迁移率四个方面研究了样品面研究了样品的电学特性，的电学特性，均在均在4%4%浓度左浓度左右的样品中取右的样品中取得了最好的电得了最好的电学性质学性质v 在最近邻的在最近邻的 V V 原

7、子之间表现的是反铁磁的基态，随着原原子之间表现的是反铁磁的基态，随着原子间距的远离，铁磁态能量逐渐降低。可以看出，随着掺子间距的远离，铁磁态能量逐渐降低。可以看出，随着掺杂浓度和制备条件的不同，杂浓度和制备条件的不同，V V 掺杂掺杂 Zn O Zn O 体系的确可以表体系的确可以表现出各种可能的磁性态，而小的掺杂浓度可以表现出铁磁现出各种可能的磁性态，而小的掺杂浓度可以表现出铁磁态，这跟实验结果是一致的。同年，态，这跟实验结果是一致的。同年，Wang Wang v 等人计算了点缺陷空位其对磁性的影响，从图等人计算了点缺陷空位其对磁性的影响，从图 1-10 1-10 的态的态密度图中可以看出，密度图中可以看出，V V 掺杂的确对电学性质有所改善，表掺杂的确对电学性质有所改善，表现出现出 n n 型的半金属特性。而氧空位的引入几乎对体系的型的半金属特性。而氧空位的引入几乎对体系的磁性没有影响或有小幅的增强，而锌空位的引入却展宽了磁性没有影响或有小幅的增强，而锌空位的引入却展宽了费米能级处费米能级处 V V 离子的峰，并降低了其强度。其直接后果离子的峰，并降低了其强度。其直接后果就是导致整个体