| 氧化锌薄膜的p型掺杂及光学和电学性质 |
| 发布时间：2017-02-03 09:55 发布人：氧化锌 点击： |
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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。
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