第26卷第4期2005年4月半导体学报CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.26No.4Apr.,20053国家自然科学基金资助项目(批准号:90201038)吕建国男,1978年出生,博士研究生,从事ZnO半导体材料与器件的研究.叶志镇男,1955年出生,教授,博士生导师,从事半导体材料与器件的研究.诸葛飞男,1975年出生,博士研究生,从事ZnO半导体材料与器件的研究.2004205222收到,2004210217定稿Ζ2005中国电子学会N2Al共掺ZnO薄膜的p型传导特性3吕建国叶志镇诸葛飞曾昱嘉赵炳辉朱丽萍(浙江大学硅材料国家重点实验室,杭州310027)摘要:利用直流反应磁控溅射技术制得N2Al共掺的p型ZnO薄膜,N2O为生长气氛.利用X射线衍射(XRD),Hall实验,X射线光电子能谱(XPS)和光学透射谱对共掺ZnO薄膜的性能进行研究.结果表明,薄膜中Al的存在显著提高了N的掺杂量,N以N2Al键的形式存在.N2Al共掺ZnO薄膜具有优良的p型传导特性.当Al含量为0115wt%时,共掺ZnO薄膜的电学性能取得最优值,载流子浓度为2152×1017cm-3,电阻率为5713Ω·cm,Hall迁移率为0143cm2/(V·s).N2Al共掺p型ZnO薄膜具有高度c轴取向,在可见光区域透射率高达90%.关键词:N2Al共掺ZnO薄膜;p型传导;N2O生长气氛;直流反应磁控溅射PACC:6855;7865;8115C中图分类号:TN30412+1文献标识码:A文章编号:025324177(2005)04207302051引言ZnO是一种新型的Ⅱ2Ⅵ族宽禁带化合物半导体材料,禁带宽度为3137eV.相对于GaN,ZnSe等宽禁带半导体材料,ZnO具有更高的激子束缚能,室温下为60meV,激子增益也可达到320cm-1,是一种理想的短波长发光器件材料[1,2],在LEDs,LDs等领域有着很大的应用潜力.掺Al,Ga,In形成的n2ZnO具有优异的性能[3～5],而ZnO的p型掺杂却十分困难,这主要是因为受主的固溶度较低,而且ZnO中的诸多本征施主缺陷会产生高度的自补偿效应[6].在可能的p型掺杂元素中,N是最好的受主,在ZnO中能够产生浅受主能级[6].研究还表明:将受主N和活性施主(如Al,Ga,In)共同掺入ZnO薄膜中可以提高N在ZnO中的溶解度,得到更浅的N受主能级[7].目前,在利用共掺技术实现p型ZnO的实验研究方面已取得了一些进展,如N2Ga共掺[8],N2Be共掺[9],N2In共掺[10]等.相对于Ga,In等掺杂剂,Al具有价格低廉、绿色环保等诸多优势.而且,最近的理论分析显示在各种共掺的方法中,N2Al共掺可能是一种更好的实现p型ZnO的途径[11].我们利用NH3为N源已经在N2Al共掺p型ZnO薄膜的研究方面取得了较好的结果[12]:载流子浓度为117×1016cm-3,电阻率为278Ω·cm,Hall迁移率为1132cm2/(V·s).本文报道了利用直流反应磁控溅射技术,在N2O的生长气氛下制备出N2Al共掺的ZnO薄膜,具有优良的p型传导特性.相对于NH3气氛下生长的N2Al共掺薄膜,本文报道的N2Al共掺p型ZnO薄膜具有更好的性能.2实验ZnO薄膜由直流反应磁控溅射技术制得.反应室真空度抽至10-3Pa后,通入高纯N2O(99199%)作为生长气氛,压强约为5Pa.N2O既作为N源,又作为O源.以掺有Al的Zn片为靶材,Al和Zn的纯度均为99199%,靶材中Al的含量分别为0,0105,0115,0135和1150wt%.Al含量为0时得到的为N掺杂ZnO薄膜,Al含量不为0时得到的为N2Al共掺ZnO薄膜.以玻璃和(100)Si片为衬底,第4期吕建国等:N2Al共掺ZnO薄膜的p型传导特性衬底温度控制在500℃,ZnO薄膜在54W(180V×013A)的溅射功率下生长30min.ZnO薄膜的电学性能由HL5500PC霍尔测试仪测定,并利用光电子能谱仪(XPS,OmicronEAC20002125半球型能量分析器)对其成分进行分析(MgKα,125316eV),薄膜的结构特性由X射线衍射仪(XRD,BedeD1系统)测量得到(CuKα,λ=011542nm),利用CARY100分光光度计测试薄膜的光学特性.3结果与讨论3.1结构特性图1显示了不同Al含量下生长的ZnO薄膜的XRD图谱,以玻璃为衬底.所有试样均只有一个衍射峰出现,对应于ZnO的(002)衍射面,说明N掺杂ZnO薄膜和N2Al共掺ZnO薄膜都具有很好的c轴取向.XRD中没有观察到相应于Zn3N2,Al2O3或AlN的衍射峰,说明ZnO晶体薄膜中不存在相的分凝或析出现象.从图中还可看到,N掺杂ZnO薄膜的(002)峰的强度最大,随Al含量的增加,该峰的强度逐渐减弱,这说明共掺ZnO薄膜,由于N,Al的掺杂,其结晶性能有所降低.由XRD测试还可得到:对于N掺杂ZnO薄膜(0wt%Al),(002)衍射峰的峰位在34128°处;随Al含量的增加,ZnO薄膜的(002)...
