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氧化锌薄膜的p型掺杂及光学和电学性质
2018-08-24  来自: 常州恺丰化工有限公司浏览次数:220

  1.1 实验所需测量仪器

  以Kratos公司生产的分析仪器进行XPS测量;能量为1486.6eV的Al Ka射线阳极功率为225W的激光光源;束缚能采取碳氢化合物Cls的284.8eV峰作为能量校正;XRD测试采取DMAX2400型X射线衍射谱;测角仪设置,防散狭缝及发散狭缝均为1°,接收狭缝为0.30 mm;扫描速度为4°/min,扫描范围在20°~80°之间;使用SMS1000型霍尔测量仪进行掺杂活性原子N的ZnO薄膜Hall测量;使用F-2500型光谱仪进行吸收光谱及光致发光光谱测量;PL谱测量条件设定:扫描速度为300 nm/min;激光光源波长为320.0 nm,光源狭缝为20.0 nm,接收光谱狭缝设定为20.0 nm;PNT电压设定为400 V。

  1.2 实验过程

  利用CVD技术,制备掺氮ZnO薄膜,使用二水合醋酸锌为前驱,氮源采取醋酸铵,将二水合醋酸锌温度控制为250 ℃,醋酸铵温度控制在120 ℃;根据不同的测试目的,生产ZnO薄膜衬底材料分别选择使用硅片、普通玻片、石英玻片及ITO导电玻璃;将氧气流量设定为10 ml/min;通过系统内温度及压强,对产物炉内产物进行控制,中心温区温度控制在400 ℃~500 ℃范围内,升温及保温时间分别为60 min与30 min,压强设定为0.1~2.0 kPa;在实验反应结束后,系统在氧气中自然冷却到室温温度。实验设置情况如图1。

  在ITO导电玻璃中生长出ZnO p-n结器件,使用电解法或烯酸将导电玻璃表面存在的ITO材料涂层进行腐蚀,形成绝缘区域;在导电玻璃上按照一定次序,覆盖生成一层P型ZnO薄膜及n型ZnO薄膜;使用真空蒸发镀膜法镀铝电极。

  2 实验结果及分析

  2.1 XPS测量结果分析

  将反应炉内从高温区到低温区固体粉末样本设定为待测样品D1、D2、D3、D4。其中D1、D2属于中心高温区500 ℃环境中,D3、D4则属于低温区200 ℃环境中。测试元素分别为锌原子、氧原子、碳原子及氮原子。XPS测量结果如图2。

  研究上图数据,可以获得样品D1、D2中所含有的氮原子含量明显高于D3、D4样品中含氮原子含量,这种现象表明,系统中发生了含有氮元素的ZnO反应;在高温区发生ZnO反应要比低温区发生的反应较为强烈。

  通过研究样品的XPS图谱,根据样品结合能峰进行推断,可以获取样品D1、D2中可能生产掺氮氧化锌化合物,而在D3、D4样品中,含有大量的氧原子及碳原子,氮原子含量极低,从而表明,在高温区范围内形成掺氮的p-ZnO可能性较大。

  2.2 XRD测量结果分析

  通过分析在不同衬底与不同温度下ZnO薄膜XRD谱特征,采取对比方法发现,玻璃衬底在440 ℃温度下生成的薄膜结晶好于在420 ℃温度下生产的薄膜结晶,并在晶相中,优先生长方向十分明显。硅片衬底本身具备平整度好、耐高温等特点,硅片衬底生长ZnO薄膜结晶好于玻璃衬底。通过研究X射线衍射谱及X射线光电子能图谱,发现被激活的掺氮p-ZnO薄膜光学及电学性质发生改变。

  2.3 霍尔效应测量分析

  对掺氮p-ZnO薄膜进行霍尔效应测量,衬底选择为玻璃衬底,通过霍尔效应测量后获得数据,表明ZnO材料呈p型导电特质,且在ZnO薄膜中载流子浓度较高,证明掺氮ZnO薄膜中生长本征的n型ZnO,最终可以实现ZnO同质p-n结器件结构。

  2.4 ZnO薄膜光致发光光谱分析

  掺氮ZnO薄膜光致发光光谱如图3。

  通过研究掺氮ZnO薄膜光致发光光谱可以发现,氧化锌薄膜材料的PL谱没有在绿光波长范围内出现峰值,在390 nm位置出现与ZnO本征发光相对应激发峰,由此,可以判断出ZnO样品具备良好的光致发光性能。

  2.5 掺氮ZnO薄膜p-n结电学特性测试分析

  制备出ZnO p-n结后,进行伏安特性测试,并将测量数据中电流值更换为电流密度值,并获得掺氮ZnO薄膜p-n结的伏安特性曲线。通过曲线研究,证明掺氮ZnO薄膜p-n结电学性能优越,抗击穿性能较强。

  3 结语

  在本文中,采取CVD技术制备了ZnO同质p-n结及p-ZnO薄膜,通过霍尔效应测量,证明了p-ZnO薄膜的p型导电特性,通过ZnO同质p-n接器件伏安特性曲线研究,证明了ZnO同质p-n结具备可实现性,可以为以后短波长光电器件实用化提高理论依据,p-ZnO具有很好的潜在应用价值,相信随着研究的深入,ZnO光电器件会在不久的将来实现及广泛应用。

关键词: 氧化锌薄膜           

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