掺杂对ZnO溶胶凝胶薄膜光电特性影响的研究进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学机械工程与自动化学院 作者:李建昌

  ZnO作为宽禁带透明半导体材料在光电领域具有广阔应用前景,通过掺杂可改善其光电性能。本文从第一性原理理论计算和实验方面综述了掺杂对ZnO溶胶凝胶薄膜光电特性影响的最新进展。III、IV族及稀土元素掺杂可在ZnO导带底引入大量载流子,使费米能级进入导带,利于n型导电。I、IB族或V族元素掺杂可替代Zn或O原子位置,产生受主杂质能级,增加受主浓度,利于p型导电。单掺杂ZnO薄膜电阻率较高,共掺杂可提高杂质溶解度,减少自补偿作用,提高p型导电性。元素掺杂可调整ZnO带隙且与掺杂元素氧化物的带隙相关,Mg、Al、Ga、In掺杂使带隙增大,Cd掺杂则使带隙减小。指出需进一步探究掺杂ZnO薄膜的缺陷与能级结构,开展ZnO纳米晶和基于ZnO的多元复合薄膜研究等。

  ZnO为宽禁带透明半导体材料,直接带隙3137eV,激子结合能60meV,熔点1975e,化学及热稳定性好,制备温度低,其在光电器件方面的应用有赖于高性能n及p型薄膜制备及光带隙调节。通过掺杂可获得性能良好的n型ZnO,但本征ZnO存在施主型缺陷,自补偿作用使得p型ZnO难以制备,故如何通过掺杂获得高质量p型ZnO薄膜是目前研究的热点。ZnO薄膜制备法包括磁控溅射、喷雾热分解、脉冲激光沉积、分子束外延、金属有机化学气相外延等。其它如溶胶凝胶、原子层处延、化学浴沉积、离子束辅助沉积及薄膜氧化等也有报道。

  溶胶凝胶法成本低、设备简单、易实现分子水平掺杂及制备多组分金属氧化物薄膜,开发前景良好。第一原理计算方法具有精度高、适用体系广、不依赖于人工参数等优点。本文对近年来有关ZnO第一性原理计算和溶胶凝胶实验研究进行了综述,探究了各种缺陷对ZnO薄膜光电特性的影响,对其能带结构、缺陷特征、p型转化、带隙调整等关键半导体特性研究做了总结。

  1、本征ZnO

  ZnO晶体由O和Zn六角密堆反向嵌套而成,每个Zn原子位于4个相邻O原子形成的四面体间隙中,但只占据其中半数O四面体间隙,O原子排列与Zn相同。本征ZnO中有锌空位VZn、氧空位VO、间隙锌Zni、间隙氧Oi、反位锌ZnO和反位氧OZn等对其光电特性影响很大的点缺陷。其中,VO、Zni和ZnO是施主型缺陷,而VZn、Oi、OZn为受主型缺陷。带电量q的点缺陷在0K时形成能可用下式计算

掺杂对ZnO溶胶凝胶薄膜光电特性影响的研究进展

  4、结束语

  ZnO作为一种重要半导体材料,在光电领域具有广泛应用前景。本文从第一性原理理论计算和实验方面综述了掺杂对ZnO薄膜光电特性的影响。发现III、IV族及稀土元素掺杂可在ZnO导带底引入大量载流子,使费米能级进入导带,利于n型导电。Ñ、Õ族元素掺杂可替代Zn或O原子位置,增加受主浓度,利于p型导电。单掺杂ZnO薄膜电阻率高,共掺杂可提高杂质溶解度,减少自补偿作用,提高p型导电性。元素掺杂可调整ZnO带隙,如Mg、Al、Ga、In掺杂使带隙增大,Cd掺杂使带隙减小。溶胶凝胶法生长的ZnO薄膜结晶性不好,使薄膜导电性偏低,为使ZnO薄膜更好应用于光电领域,需从以下方面进一步研究:¹研究ZnO光学性质以弄清其缺陷与能级结构;º研究共掺杂机理及其稳定性,寻找合适的受主杂质及掺杂工艺,以获得高载流子浓度、低电阻、电学性能稳定的p型薄膜;»探究ZnO纳米晶的n型、p型掺杂以获得高质量薄膜;¼发展以ZnO为基础的二元及多元复合功能薄膜,通过控制化学成分提高ZnO器件的光、电、磁等特性。

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