ZnOS合金薄膜及S-N共掺杂p型ZnO薄膜的结构与光电性能研究

【摘要】ZnO是重要的宽带隙化合物半导体,激子束缚能高达60meV,在短波长光电器件领域具有巨大的应用潜力。ZnOS合金体系具有较大的弯曲系数,且研究表明S的加入抬升了ZnO的价带顶,降低了受主激活能,可提高p型掺杂的效率。本文以ZnOS合金体系为基本的研究对象,利用磁控溅射法制备了ZnS薄膜、ZnOS合金薄膜和S-N共掺杂ZnO薄膜,并围绕其结构和性能展开研究。通过优化生长气压制备了高结晶质量的ZnS薄膜,薄膜成分符合标准化学计量,为六方纤锌矿结构,且沿(0002)方向择优取向,其光学禁带宽度为3.64eV。研究了氧分压和衬底温度对ZnOS合金成分的影响,实现了成分可控的合金薄膜的制备。当S含量在0-1之间变化时,ZnOS薄膜物相的演变过程为：ZnO相→ZnO相和ZnS相共存→ZnS相。晶格常数c随着S含量的增大而线性增大,且S以-2价形式存在,表明S进入了O的替代位。随着S含量的增大,禁带宽度先减小再增大,呈现能带弯曲现象,弯曲系数为1.45eV。PL光谱中观测到了ZnOS合金薄膜的带边发射峰,且峰位随着S含量增大而红移。通过优化N20分压、衬底温度和退火工艺,制备了S-N共掺杂p型ZnO薄膜,其最佳的电学性能为：电阻率21.46Ωcm,载流子浓度4.482×1017cm-3,迁移率0.649cm2/Vs。S的引入提高了N掺杂ZnO的p型导电性能,其作用机理是通过改变能带结构使N受主的激活能降低,同时增大了N的固溶度。
【作者】许鸿斌；
【导师】朱丽萍；
【作者基本信息】浙江大学，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】ZnOS合金薄膜；能带工程；光致发光；p型掺杂；

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