ZnO薄膜的p型掺杂难度

2009-09-19 邢光建 北京石油化工学院材料科学与工程系

  ZnO为II-VI族化合物半导体材料,具有压电、热电、气敏、光电等多种性能,在许多领域都有广泛的应用。近年来ZnO在光电领域的应用引起了人们的很大关注,这是由于ZnO 在室温下禁带宽度为3.37eV,可以用来制备蓝光或紫外发光二极管(LEDs)和激光器(LDs)等光电器件。尤其是ZnO具有较高的激子束缚能(60meV),大于GaN的24meV,完全有可能在室温下实现有效的激子发射,因此在光电领域具有极大的发展潜力。

  ZnO在光电领域的应用依赖于高质量的n型和p型薄膜的制备。目前人们通过掺杂己经获得了具有较好电学性能的n型ZnO。然而本征ZnO在内部容易产生各种施主型缺陷,发生自补偿作用使得p 型ZnO薄膜难以制备,这种情况很大程度上限制了ZnO薄膜在光电器件方面的发展。因此如何进行掺杂获得高质量的p型ZnO薄膜一直是ZnO研究领域的难点和热点,尽管近几年科研人员制备出了p-ZnO薄膜,但大都存在着一些问题,高载流子浓度、低电阻、电学性能稳定的p-ZnO薄膜的制备问题依然困扰着ZnO材料的发展。如何通过理论和实验找到合适的受主杂质实现高质量的p型掺杂将对ZnO的实际应用起到极大的推动作用。

  p型ZnO透气膜其特性很难提纯的因为大部分是考虑到ZnO长期存在越多的本征施主弊病而会导致的自补充不确定性。ZnO的本征点弊病大部分有6 种性状:氧空位VO、锌空位VZn、反位氧OZn、反位锌ZnO、摩擦氧Oi和摩擦锌Zni。氧空位VO为正电中央,拥有负库仑的抓住势,其导带能级向低能手机手机,渗入带隙确立施主能级。锌空位VZn为负电中央,其价带能级向胆因醇目标手机手机,渗入带隙确立受主能级。OZn弊病是O赢得口碑Zn 水分子地段制造Zn的O反位,它抓住近邻水分子的价微电子确立负电中央,价带能级渗入带隙确立受主弊病。而ZnO弊病是O的Zn反位弊病而变成了正电中央,导带能级渗入带隙确立施主弊病。摩擦锌Zni为正电中央,其导带能级向低能手机手机,渗入带隙确立施主能级,而Oi弊病态则是价带顶的受主能级。   图1 示出了据此6种缺欠的能级原因,从下图也不错严重分辨,ZnO的6种本征缺欠中Oi和VZn是浅受主,而VO、Zni和ZnO是施主型缺欠。缺欠生成的难易因素不错用生成能的低高来发现,VO和Zni即使在富Zn和富O生活条件下的生成能都很低(见图2),较之VZn和Oi更简单在ZnO中留存。这种施主的留存,才可以房屋补赏费用p 型浅受主,也就是说所谓的的自房屋补赏费用效用。参杂生成反型缺欠的的阶段是标准管理体系热量转换大幅度有效降低的的阶段,由此是标准管理体系更趋和平态的一定成果。禁上行速率程度越大,自房屋补赏费用导致的的热量转换大幅度有效降低越偏态,对宽禁带涂料参杂时更简单呈现自房屋补赏费用,全部利用普通的参杂难建立涂料的反型。

 ZnO本征及掺杂能级

图1 ZnO本征及掺入能级   p型夹杂不易满足的另一款 一款 主要原因是p 型夹杂须要较高的。在ZnO中,锌的电负性为1.65,而氧的负电性为3.44,俩者之差到1.79,于是ZnO是一个种化合物沉淀体。它沉淀的难易数量在于于马德隆能的长宽比。n型夹杂时马德隆能缩减,以至于极易进行;而p型夹杂使马德隆能上升,引起p型夹杂比效很困难。

富Zn和富O条件下ZnO中各种本征缺陷的形成能

图2 富Zn和富O先决条件下ZnO中各个本征障碍的生成能   通过近年的系统论研究探讨和实训成功经验,要变现ZnO的很好p型夹杂着,就必须提供有以下的先决条件:其三,增长受主原素在ZnO中的夹杂着溶度;其一,使受主能级在ZnO传奇私服中变得更浅;其三,遏制ZnO中的本征施主异常现象溶度,减小自赔偿金作用。必然,这3者并找不到了得的同样提供。近年已提出来3套手段也可以提纯p 型ZnO:(1) 将Ⅴ族原素掺量氧空位:(2)将Ⅴ族原素与III族原素共夹杂着入ZnO,或I族原素与VII原素共夹杂着入ZnO;(3)没用过量的氧以排除氧空位的自赔偿金作用,这同类手段常与Ⅴ族原素掺量法的同样参与。   在上述内容三大做法中,共掺是到目前为止程度较高普遍的做法。种做法一开始由Yamamoto T等要求,用户用对光电价带设计的计算方法出来,要求选用受主和施主共掺的做法来化解ZnO的p型掺入情况。经计算方法出来表面,选用Li、N或是As的p型掺入可产生马德隆能的新增,而选用B、Al、Ga、In或是F就会使马德隆能缩减。施主转变成受主的吸附性氧共掺剂,施主和受主的共掺产生了受主-施主-受主的配合起来对若想怎强了受主的配合起来,缩减了晶格能,并缩减了p型掺入的ZnO中的受主溶物的配合起来能。还有考虑到充当吸附性氧共掺剂的受主和施主左右的强主动抓住力,因为降低了了带隙间的受主的能级新增了施主能级(见图3)。在这基础理论上,用户要求了一种施主-受主共掺对,如选用Ga和N共掺是十分适用的,我们对Li受主,F是有效的吸附性氧施主,我们对As受主Ga是挑选的共掺施主。

p型共掺半导体的能级示意图

图3 p型共掺半导体器件的能级提示图