氧化鋅薄膜的p型摻雜及光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)
文章出處：江蘇振中鋅業(yè)有限公司
發(fā)表時(shí)間：2017-11-27
1.1 實(shí)驗所需測量?jì)x器
以Kratos公司生產(chǎn)的分析儀器進(jìn)行XPS測量；能量為1486.6eV的Al Ka射線(xiàn)陽(yáng)極功率為225W的激光光源；束縛能采取碳氫化合物Cls的284.8eV峰作為能量校正；XRD測試采取DMAX2400型X射線(xiàn)衍射譜；測角儀設置，防散狹縫及發(fā)散狹縫均為1°，接收狹縫為0.30 mm；掃描速度為4°/min，掃描范圍在20°～80°之間；使用SMS1000型霍爾測量?jì)x進(jìn)行摻雜活性原子N的ZnO薄膜Hall測量；使用F-2500型光譜儀進(jìn)行吸收光譜及光致發(fā)光光譜測量；PL譜測量條件設定：掃描速度為300 nm/min；激光光源波長(cháng)為320.0 nm，光源狹縫為20.0 nm，接收光譜狹縫設定為20.0 nm；PNT電壓設定為400 V。
1.2 實(shí)驗過(guò)程
利用CVD技術(shù)，制備摻氮ZnO薄膜，使用二水合醋酸鋅為前驅?zhuān)床扇〈姿徜@，將二水合醋酸鋅溫度控制為250 ℃，醋酸銨溫度控制在120 ℃；根據不同的測試目的，生產(chǎn)ZnO薄膜襯底材料分別選擇使用硅片、普通玻片、石英玻片及ITO導電玻璃；將氧氣流量設定為10 ml/min；通過(guò)系統內溫度及壓強，對產(chǎn)物爐內產(chǎn)物進(jìn)行控制，中心溫區溫度控制在400 ℃～500 ℃范圍內，升溫及保溫時(shí)間分別為60 min與30 min，壓強設定為0.1～2.0 kPa；在實(shí)驗反應結束后，系統在氧氣中自然冷卻到室溫溫度。實(shí)驗設置情況如圖1。
在ITO導電玻璃中生長(cháng)出ZnO p-n結器件，使用電解法或烯酸將導電玻璃表面存在的ITO材料涂層進(jìn)行腐蝕，形成絕緣區域；在導電玻璃上按照一定次序，覆蓋生成一層P型ZnO薄膜及n型ZnO薄膜；使用真空蒸發(fā)鍍膜法鍍鋁電極。
2 實(shí)驗結果及分析
2.1 XPS測量結果分析
將反應爐內從高溫區到低溫區固體粉末樣本設定為待測樣品D1、D2、D3、D4。其中D1、D2屬于中心高溫區500 ℃環(huán)境中，D3、D4則屬于低溫區200 ℃環(huán)境中。測試元素分別為鋅原子、氧原子、碳原子及氮原子。XPS測量結果如圖2。
研究上圖數據，可以獲得樣品D1、D2中所含有的氮原子含量明顯高于D3、D4樣品中含氮原子含量，這種現象表明，系統中發(fā)生了含有氮元素的ZnO反應；在高溫區發(fā)生ZnO反應要比低溫區發(fā)生的反應較為強烈。
通過(guò)研究樣品的XPS圖譜，根據樣品結合能峰進(jìn)行推斷，可以獲取樣品D1、D2中可能生產(chǎn)摻氮氧化鋅化合物，而在D3、D4樣品中，含有大量的氧原子及碳原子，氮原子含量極低，從而表明，在高溫區范圍內形成摻氮的p-ZnO可能性較大。
2.2 XRD測量結果分析
通過(guò)分析在不同襯底與不同溫度下ZnO薄膜XRD譜特征，采取對比方法發(fā)現，玻璃襯底在440 ℃溫度下生成的薄膜結晶好于在420 ℃溫度下生產(chǎn)的薄膜結晶，并在晶相中，優(yōu)先生長(cháng)方向十分明顯。硅片襯底本身具備平整度好、耐高溫等特點(diǎn)，硅片襯底生長(cháng)ZnO薄膜結晶好于玻璃襯底。通過(guò)研究X射線(xiàn)衍射譜及X射線(xiàn)光電子能圖譜，發(fā)現被激活的摻氮p-ZnO薄膜光學(xué)及電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。
2.3 霍爾效應測量分析
對摻氮p-ZnO薄膜進(jìn)行霍爾效應測量，襯底選擇為玻璃襯底，通過(guò)霍爾效應測量后獲得數據，表明ZnO材料呈p型導電特質(zhì)，且在ZnO薄膜中載流子濃度較高，證明摻氮ZnO薄膜中生長(cháng)本征的n型ZnO，最終可以實(shí)現ZnO同質(zhì)p-n結器件結構。
2.4 ZnO薄膜光致發(fā)光光譜分析
摻氮ZnO薄膜光致發(fā)光光譜如圖3。
通過(guò)研究摻氮ZnO薄膜光致發(fā)光光譜可以發(fā)現，氧化鋅薄膜材料的PL譜沒(méi)有在綠光波長(cháng)范圍內出現峰值，在390 nm位置出現與ZnO本征發(fā)光相對應激發(fā)峰，由此，可以判斷出ZnO樣品具備良好的光致發(fā)光性能。
2.5 摻氮ZnO薄膜p-n結電學(xué)特性測試分析
制備出ZnO p-n結后，進(jìn)行伏安特性測試，并將測量數據中電流值更換為電流密度值，并獲得摻氮ZnO薄膜p-n結的伏安特性曲線(xiàn)。通過(guò)曲線(xiàn)研究，證明摻氮ZnO薄膜p-n結電學(xué)性能優(yōu)越，抗擊穿性能較強。
3 結語(yǔ)
在本文中，采取CVD技術(shù)制備了ZnO同質(zhì)p-n結及p-ZnO薄膜，通過(guò)霍爾效應測量，證明了p-ZnO薄膜的p型導電特性，通過(guò)ZnO同質(zhì)p-n接器件伏安特性曲線(xiàn)研究，證明了ZnO同質(zhì)p-n結具備可實(shí)現性，可以為以后短波長(cháng)光電器件實(shí)用化提高理論依據，p-ZnO具有很好的潛在應用價(jià)值，相信隨著(zhù)研究的深入，ZnO光電器件會(huì )在不久的將來(lái)實(shí)現及廣泛應用。
