退火温度及退火气氛对ZnO薄膜的结构及发光性能的影响(英文)

采用脉冲激光沉积技术在Si/蓝宝石衬底上制备了ZnO薄膜,结合快速退火设备研究了不同退火温度(500~900℃)及退火气氛(N2,O2)对薄膜的结构及其发光性能的影响。并优化条件得到具有最小半峰全宽及最大晶粒尺寸的薄膜。X射线衍射(XRD)结果表明:氮气氛下退火的ZnO薄膜最佳退火温度为900℃;氧气氛下退火的ZnO薄膜最佳退火温度为800℃。红外(IR)光谱中,退火后Zn-O特征振动峰红移,说明在退火过程中,原子重新排布后占据较低能量位置;同样的退火温度下,氮气氛下退火的薄膜质量更优。同步辐射光电子能谱(synchrotron-based XPS)分别表征了未退火及N2,O2下900℃退火的ZnO薄膜,分峰拟合结果表明氧气氛下退火产生更多的氧空位。结构表征结合光致发光(PL)谱表明绿光的发光峰与氧空位有关。     

高浓度Er/Yb共掺ZnO薄膜的结构及室温光致发光特性

采用射频磁控溅射方法制备了Er/Yb共掺ZnO薄膜,研究了退火处理对高浓度Er/Yb共掺ZnO薄膜的结构演化和光致发光(PL)特性的影响。X射线衍射分析结果表明:Er/Yb掺杂导致ZnO薄膜的晶粒细化及择优取向性消失,ZnO晶粒随退火温度的增加而逐渐长大。900℃退火时,出现Er3 、Yb3 偏析,退火温度高于1000℃时,薄膜与基体间发生了界面反应,1200℃时,ZnO完全转变为Zn2SiO4相。光致发光测量结果表明:高于900℃退火处理后,Er/Yb共掺ZnO薄膜在1540 nm附近具有明显的光致发光,发光强度在退火温度为1050℃时达到最大值;光致发光光谱呈现典型的晶体基质中Er3 离子发光光谱所具有的明锐多峰结构特征。此外,探讨了薄膜结构演化及其对光致发光光谱的影响。     

扩散掺杂的p型ZnO薄膜的光学性质研究

采用原子层沉积技术(atomic layer deposition)在InP衬底上生长ZnO薄膜,并在不同温度下(500和700 ℃)进行热退火处理,将P掺杂进入ZnO,得到p型ZnO薄膜。样品的光学特性通过光致发光光谱(photoluminescence, PL)来测定,得出热退火温度是影响P扩散掺杂的重要因素,低温PL光谱中,700 ℃热退火1 h样品的光谱展现出四个与受主相关的发射峰：3.351,3.311,3.246和3.177 eV,分别来自受主束缚激子的辐射复合(A°X)、自由电子到受主的发射(FA)、施主受主对的发射(DAP)以及施主受主对的第一纵向声子伴线(DAP-1LO),计算得到受主束缚能为122 meV,与理论计算结果一致。通过热扩散方式实现了ZnO薄膜的p型掺杂,解决了制约ZnO基光电器件发展的主要问题, 对ZnO基半导体材料及其光电器件的发展有重要意义。     

原位氧化Zn3N2制备p型ZnO薄膜的性能研究

采用射频反应溅射法在玻璃衬底上制备Zn₃N₂薄膜，然后向真空室中通入纯氧气进行热氧化制备ZnO薄膜.利用X射线衍射、扫描电子显微镜、霍尔效应测量、透射光谱和光致发光光谱等表征技术，研究了氧化温度和氧化时间对ZnO薄膜的结晶质量、电学性质和光学性能的影响.研究结果显示，450 ℃ 下氧化2 h后的样品中除含有ZnO外，还有Zn₃N₂成分，500 ℃下氧化2 h可以制备出电阻率为0.7 Ωcm，空穴载流子浓度为10^{关键词： p型ZnO薄膜 3N₂薄膜')" href="#">Zn₃N₂薄膜 射频溅射 原位氧化}     

氮等离子体辅助脉冲激光沉积生长p型ZnO:N薄膜的光学和电学性质

通过氮气等离子体辅助脉冲激光沉积(PLD)技术制备了氮掺杂氧化锌(ZnO:N)薄膜.经过低温快速热退火(RTA)处理后,ZnO:N薄膜呈现p型导电特性.利用X射线光电子能谱(XPS)、光致发光(PL)和霍尔测量对ZnO:N薄膜中N的化学状态及其光学和电学性质进行了系列的研究.结果表明:所制得的p型ZnO:N薄膜为高度补...     

退火对溶胶-凝胶法制备的ZnO薄膜结构和光致发光的影响

采用溶胶-凝胶法在n-Si(100)衬底上制备ZnO薄膜并从三个方面对其研究。X射线衍射结果表明,在含氧气氛中退火的ZnO薄膜为多晶六角纤锌矿结构,有明显的c轴择优结晶取向;退火时间的长短和温度的高低对结晶取向性和粒径均有较大影响,通过进一步的研究发现最佳处理温度在500℃左右。用扫描电子显微镜观察样品的表面和侧面形貌,晶体的生长比较均匀,粒径平均在70~160nm范围内,与XRD测量结果相一致。室温下ZnO胶体的光致发光谱表明,随着胶体老化时间的延长,胶体的紫外峰位发生了蓝移。室温下ZnO薄膜的光致发光谱表明,紫外部分的发光峰位在365,390nm,发光强度较强;在可见光区的发光强度相对较弱,但是还没有被氧完全抑制掉。     

原位氧化Zn3N2制备P型ZnO薄膜的性能研究

采用射频反应溅射法在玻璃衬底上制备Zn3N2薄膜,然后向真空室中通入纯氧气进行热氧化制备ZnO薄膜.利用X射线衍射、扫描电子显微镜、霍尔效应测量、透射光谱和光致发光光谱等表征技术,研究了氧化温度和氧化时间对ZnO薄膜的结晶质量、电学性质和光学性能的影响.研究结果显示,450℃下氧化2h后的样品中除含有ZnO外,还有Zn3N2成分,500℃下氧化2h可以制备出电阻率为0.7Ωcm,空穴载流子浓度为1017cm-3,空穴迁移率为0.9cm2/Vs的具有c轴择优取向的p型ZnO薄膜.此时的ZnO薄膜具有良好的光学特性,紫外可见光范围内透过率为85%,处于紫外区域的激子复合产生的发光峰很强,且半高宽较窄,而处于可见光部分来自于深能级发射的绿色发光峰很弱.这种工艺制备的ZnO薄膜质量较好,有利于实现在短波长光电器件方面的应用.     

退火温度对ZnO薄膜结构和发光特性的影响

采用反应射频磁控溅射法在 Si(100)基片上制备了高c轴择优取向的ZnO薄膜，研究了退火温度对ZnO薄膜的晶粒尺度、应力状态、成分和发光光谱的影响，探讨了ZnO薄膜的紫外发光光谱和可见发光光谱与薄膜的微观状态之间的关系.研究结果显示,在600—1000℃退火温度范围内，退火对薄膜的织构取向的影响较小，但薄膜的应力状态和成分有比较明显的变化.室温下光致发光光谱分析发现，薄膜的近紫外光谱特征与薄膜的晶粒尺度和缺陷状态之间存在着明显的对应关系；而近紫外光谱随退火温度升高所呈现的整体峰位红移是各激子峰相对比例变 关键词： ZnO薄膜 退火 光致发光 射频反应磁控溅射 可见光发射     

退火对ZnO薄膜晶体结构和ZnO/p-Si异质结光电性质的影响

采用脉冲激光沉积方法在p-Si(100)衬底卜牛长ZnO薄膜,分别在500℃、600℃和700℃下真空退火,采用X射线衍射仪研究了退火对ZnO薄膜品体结构的影响,并测量了ZnO的面电阻和ZnO/p-Si异质结的、I-V特性曲线.研究表明,随着退火温度的升高,ZnO的(002)衍射峰强度逐渐增大,半峰全宽不断减小,同时薄膜内应力减小,ZnO晶粒尺寸变大.表明高温退火有助于ZnO薄膜结晶质量的提高.在没有光照的条件下,异质结的漏电流随退火温度的增加而增大;用650 nm光照射样品时,600℃退火的样品表现出最明显的光电效应,而过高的退火温度会破坏ZnO/p-Si异质结的界面结构,使其光电流变小.所以,要得到性能良好的光电器件,应选取适当的退火温度.     

N离子注入富氧ZnO薄膜的p型导电及拉曼特性研究

采用射频磁控溅射法在富氧环境下制备ZnO薄膜, 继而结合N离子注入及热退火实现薄膜的N掺杂及p 型转变, 借助霍尔测试和拉曼光谱研究了N离子注入富氧ZnO薄膜的p型导电及拉曼特性. 结果表明, 在 600 ℃温度下退火120 min可获得性能较优的p-ZnO: N薄膜, 其空穴浓度约为2.527×10¹⁷ cm^-3. N离子注入ZnO引入了三个附加拉曼振动模, 分别位于274.2, 506.7和640.4 cm^-1. 结合电学及拉曼光谱的分析发现, 退火过程中施主缺陷与N受主之间的相互作用对p-ZnO的形成产生重要影响.     

ZnO中Li相关缺陷结构性质

采用第一性原理量子力学分子动力学方法,基于32个原子的超原胞模型,计算了ZnO中各种Li相关缺陷的有关几何和电子结构。通过不同模型的计算分析表明,ZnO中Li杂质在间隙位上的总能比替位Zn格位的能量更低,但却形成施主能级。进一步通过构造Li替Zn位Li_Zn与不同本征缺陷所构成的复合体结构,并对模拟计算的结果进行分析比较得出,O反位O_Zn可与Li_Zn形成比Li间隙位更稳定的复合体,可高溶解度地稳定存在于ZnO中,并在禁带中产生受主能级,是较好的p型导电性候选缺陷。     

Doping by large-size-mismatched impurities: the microscopic origin of arsenic- or antimony-doped p-type zinc oxide

Based on first-principles calculations, a model for large-size-mismatched group-V dopants in ZnO is proposed. The dopants do not occupy the O sites as is widely perceived, but rather the Zn sites: each forms a complex with two spontaneously induced Zn vacancies in a process that involves fivefold As coordination. Moreover, an As(Zn)-2V(Zn) complex may have lower formation energy than any of the parent defects. Our model agrees with the recent observations that both As and Sb have low acceptor-ionization energies and that to obtain p-type ZnO requires O-rich growth or annealing conditions.     

Ag-N共掺p型ZnO的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对Ag-N共掺杂ZnO体 系以及间隙N和间隙H掺杂p型ZnO: (Ag, N)体系的缺陷形成能和离化能进行了研究. 结果表明, 在Ag_Zn和N_O所形成的众多受主复合体中, Ag_Zn-N_O受主对不仅具有较低的缺陷形成能同时其离化能也相对较小, 因此, Ag_Zn-N_O受主对的形成是Ag-N共掺ZnO体系实现p型导电的主要原因. 研究发现, 当ZnO: (Ag, N)体系有额外间隙N原子存在时, Ag_Zn-N_O受主对容易与N_i形成Ag_Zn-(N₂)_{m O}施主型缺陷, 该施主缺陷的形成降低了Ag-N共掺ZnO的掺杂效率因而不利于p型导电. 当间隙H引入到ZnO: (Ag, N)体系时, H_i易与Ag_Zn-N_O受主对形成 受主-施主-受主复合结构(Ag_Zn-H_i-N_O), 此复合体的形成不仅提高了Ag_Zn-N_O受主对在ZnO中的固溶度, 同时还能使其受主能级变得更浅而有利于p型导电. 因此, H辅助Ag-N共掺ZnO可能是一种有效的p型掺杂手段. 关键词： p型ZnO 缺陷形成能 受主离化能 第一性原理     

The mechanism of Li, N dual-acceptor co-doped p-type ZnO

The formation of single defects and defect complexes are investigated in Li, N co-doped ZnO by the first-principles plane wave method with projector augmented wave (PAW) pseudo-potential technology. We find that: (i) p-type conductivity could be achieved in single Li doped ZnO under an O-rich condition, since the formation energy of Li_Zn acceptor is much lower than the interstitial Li_i; (ii) the dual-acceptor complex Li_Zn-N_O is unlikely to form, and the good p-type conductivity is mainly attributed to the Li_Zn acceptor, even in Li, N co-doped ZnO; (iii) the additional introduction of N may help compensate the single Li_i donor defects under certain growth conditions, but its role in the p-type conductivity in ZnO remains to be clarified. PACS 71.15.Mb; 73.61.Ga; 71.15.Nc; 71.20.Nr; 71.55.Gs     

氧化锌薄膜光电功能材料研究的关键问题

氧化锌薄膜光电功能材料是近年来新发展起来的研究课题,由于它在短波长光电信息功能材料方面具有潜在的应用前景而备受关注.为了开发ZnO结型光电器件,目前首先需要解决高质量ZnO单晶薄膜的外延及p型掺杂等关键问题.综合国内外的研究结果,结合我们的工作,叙述了利用多晶格匹配原理通过过渡层在Si衬底上异质外延高质量ZnO薄膜,介绍了用SiC作过渡层生长ZnO薄膜的有关问题.对ZnO的p型掺杂,分析了制备p型ZnO的困难和利用Ⅲ-Ⅴ族共掺杂方法生长p型ZnO的作用和优点.     

纤锌矿结构ZnO中定位Ga-N共掺杂对p型掺杂效率的影响

采用第一性原理和密度泛函理论的方法,计算未掺杂、N单掺杂和Ga-N共掺杂纤锌矿结构ZnO的总能、电荷密度和能带结构.总能计算表明,Ga原子的共掺杂使总能极大地降低,从而显著提高杂质N原子在ZnO中的稳定性.电荷密度分布显示,总能的降低主要是Ga-N共掺杂后Ga原子的3d态和N原子的2p态电子之间的强杂化相互作用所致.特别是在Ga原子的负电荷和N原子的正电荷沿c轴排成一线的共掺杂构型中,较大的局域极化场的变化引起价带顶向禁带中的大分裂,降低了N受主的激活能,将空穴的浓度提高了三个量级,有效地提高p型掺杂效率.     

Donor-acceptor complexes in ZnO

One of the main obstacles to the technical application of the wide-gap semiconductor ZnO represents the difficulty to achieve reliable and sufficient p-type doping. The theoretically proposed concepts of cluster-doping or codoping should lead to an enhanced and stable p-type conductivity of ZnO. We report on PAC results obtained by codoping experiments of ZnO by ion implantation using the donor ¹¹¹In and the group-V acceptors N and P. The formation of In-N and In-P pairs has been observed. Based on these PAC results, there is no evidence for the formation of In-acceptor complexes involving more than one N or P acceptor. Finally, first reports on PAC investigations using ⁷⁷Br as donor in ZnO are presented.     

The effect of electronic orbital interactions on p-type doping tendency in ZnO series： First-principles calculations

The electronic structures and optical properties of B3 ZnO series of Znelectronic structures, optical properties, pseudopotential plane-wave method, \\ \hspace*{1.9cm} p-type doping tendency,electronic structures, optical properties, pseudopotential plane-wave method, \\ \hspace*{1.9cm} p-type doping tendencyProject supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No~10625416).2007-04-252007-06-18The electronic structures and optical properties of B3 ZnO series of Zn4X4-yMy（X ：O, S, Se or Te; M = N, Sb, C1 or I; y = 0 or 1） are studied by first-principles calculations using a pseudopotential plane-wave method. The results show that Zn d-X p orbital interactions play an important role in the p-type doping tendency in zinc-based Ⅱ-Ⅵ semiconductors. In ZnX, with increasing atomic number of X, Zn d-X p orbital interactions decrease and Zn s-X p orbital interactions increase. Additionally, substituting group-V elements for X will reduce the Zn d-X p orbital interactions while substituting group-VII elements for X will increase the Zn d-X p orbital interactions. The results also show that group-V-doped ZnX and group-Ⅷ-doped ZnX exhibit different optical behaviours due to their different orbital interaction effects.     

Be,Mg,Mn掺杂CuInO_2形成能的第一性原理研究

研制开发新型的光电材料对促进社会经济发展具有重要的科学意义和实用价值.利用宽禁带CuInO_2铟基材料实现全透明光电材料是目前深入研究的热点.通过基于密度泛函的第一性原理计算方法,本文计算出掺杂元素Mg, Be, Mn在CuInO_2的形成能.计算结果表明,施主类缺陷(如掺杂元素替代Cu原子或进入间隙位置)由于较高的形成能和较深的跃迁能级,很难在CuInO_2材料中出现N型导电;而受主缺陷中,在氧原子化学势极大的情况下, Mg原子替代In能成为CuInO_2理想的受主缺陷.计算结果可为制备性能优异的CuInO_2材料提供指导.     

高压下Li掺杂p型ZnO固溶体的表征

报道了利用ZnO和Li₂O混合物在5GPa, 1200 ℃—1500 ℃条件下, 制备Li掺杂p型ZnO(记作ZnO: Li)固溶体的过程. 研究发现, 高压下温度对于ZnO: Li固溶体的导电类型以及结构具有较大的影响. 其中在1500 ℃条件下烧结的ZnO: Li(Li的掺杂量4.5%)表现出良好的p型电学性能, 其电阻率为3.1× 10^-1Ω·cm, 载流子浓度为3.3× 10¹⁹cm^-3, 迁移率为27.7cm²·V^-1·s^-1. 通过实验及理论计算确定了其受主能级为110meV, 讨论了压力对p型ZnO的形成和电学性能的影响.