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摘 要

ZnO是 II-VI 族宽禁带半导体材料，它在室温下的禁带宽度约为3.37eV。与其它半导体相比，它的激子束缚能可以达到60 meV。由于它的激子不容易在室温及其以上温度下会被电离，从而实现高效率的紫外发射,所以ZnO在发光器件中得到应用。

本文中介绍了ZnO晶体的结构和光学/电学性质，由于ZnO晶体中的缺陷和杂质对于电学性能有着很大的影响，为了实现光电器件中的实际应用，就涉及到ZnO掺杂。本文利用激光溅射沉积技术进行磷掺杂ZnO薄膜的生长，制备出多组样品。利用XRD，光致发光光谱（PL）和霍尔效应测量分别进行薄膜的晶体结构分析，光学性质分析以及薄电学性质分析。结果表明，制备薄膜过程中，退火温度的改变对薄膜的结构，光学，电学性质都有很大影响。

关键词：激光溅射沉积，ZnO,光学性质，电学性质

The optical and electrical properties of thin films of ZnO:P

ABSTRACT

ZnO is a II-VI wide band gap semiconductor material. The bandgap of it at room temperature is about 3.37eV. Its exciton binding energy of 60 meV can be achieved. Because it will not be easy to exciton ionization at a temperature above room temperature，in order to achieve high efficiency UV emission, so ZnO can been used in light-emitting devices.

This paper introduces the structure and optical / electrical properties of ZnO crystal and thin films of ZnO. Since the defects and impurities of ZnO crystal have a great impact for electrical properties, in order to achieve the photovoltaic device in practical application, it relates to doped ZnO. This paper studies on the growth of phosphorus-doped ZnO thin films by PLD, multiple sets of samples were prepared. Analysis of crystal structure optical properties and electrical properties of thin film are by XRD, photoluminescence (PL) and Hall effect measurements. The results showed that, during the preparation of the film, changing the annealing temperature on the structure, optical and electrical properties of the films has a significant impact.

Keyword: PLD, ZnO, optical properties ,electrical properties

目录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 ZnO的简介 2

1.1.1 ZnO晶体结构 2

1.1.2 ZnO的能带结构 3

1.1.3 ZnO的基本特性和应用 4

1.2 ZnO材料的缺陷 5

1.3 ZnO的p型掺杂 6

1.4 ZnO薄膜研究现状 6

第二章 薄膜制备方法和分析方法 7

2.1 脉冲激光溅射沉积简介 7

2.1.1脉冲激光溅射沉积的原理 7

2.1.2脉冲激光溅射沉积的特点 8

2.2 X射线衍射（XRD） 8

2.3 光致发光光谱（PL谱） 9

2.4 霍尔效应 9

第三章 实验及数据分析 10

3.1 实验 10

3.2 数据分析 11

3.2.1 X射线衍射图分析 11

3.2.2 光致发光光谱（PL谱） 13

3.2.2 霍尔效应测量 14

结论与展望 18

致谢 19

参考文献 20

第一章 绪论

随着社会的飞速发展以及信息化时代的到来，材料和能源对于科技的进步是愈发重要，半导体材料是信息技术的支柱，也是新型能源开发和利用的基础。锗是人们最开始对半导体材料的应用，当时硅锗材料是半导体材料中最主要的部分，这就是第一代半导体材料，在当时引发了整个信息产业的飞跃。此后，化合物半导体材料（主要是砷化镓等）显示出巨大的优越性能，这被称为第二代半导体材料，半导体材料得到飞速发展。而以氮化物，SiC和ZnO等宽禁带半导体称为第三代半导体材料，由于它们的卓越的发光性能开始占据重要地位。

宽禁带半导体中最早开发出来的是SiC，虽然研究SiC的技术已经很成熟了，但是由于以SiC为材料的发光二极管的发光效率比较低，得不到广泛的应用。[1]

随后出现的是氮化物，主要是GaN，凭借着特别的优势加上p型掺杂的问题已经解决[2],基的材料发展及其迅速,开发出高发射强度的发光二极管系列[3]。但是有很多因素限制了GaN的应用[4]，比如GaN薄膜生长难度较高，生长温度也高，适宜的衬底材料也较少，设备昂贵等，这些因素导致生产成本很高。

ZnO是继GaN之后出现的又一种短波长宽禁带半导体，而且具备多功能应用[5]。其主要优点是在室温条件下，自由激子的束缚能高达60meV，与GaN（24meV）相比，更适合于短波长发光二极管的制造和光的探测器件的材料。ZnO 薄膜的生长温度较低，一般在500℃-600℃，设备价格便宜。另外，ZnO具有高的热稳定性和化学稳定性，以及良好的湿法刻蚀性，为后续工艺带来极大的便利。ZnO还具有良好的压电，光学性质，在发光器件，压电传感器，紫外探测器等方面有着广泛的应用。

本文主要介绍了ZnO的晶体结构，光电性质。主要研究了ZnO掺杂磷薄膜生长方法的研究，以及在不同条件下测试样品，观察各种性质是否发生变化。

1.1 ZnO的简介

ZnO是一种古老又新颖的材料。在很早的时候，ZnO便作为陶瓷材料被广泛应用。在上个世纪80年代才开始把ZnO作为半导体光电材料来进行研究。在1996年，中国和日本的科学家研究并实现了了ZnO薄膜在室温下的光泵浦近紫外激光发射[7,8]。同一年，科学家们首次实现了p型掺杂ZnO薄膜。此后ZnO材料被人们重新认识，开始做为新型的直接宽带隙光电半导体材料被人们研究。

1.1.1 ZnO晶体结构

ZnO 是一种 II-VI 族宽带隙半导体材料。ZnO晶体有三种结构：六边纤锌矿结构、立方闪锌矿结构，以及比较罕见的岩盐矿结构。纤锌矿结构在三者中稳定性最高，因而最常见，岩盐矿和闪锌矿都是亚稳定结构。纤锌矿结构的氧原子层和锌原子层呈六方紧密排列，呈现六方结构。闪锌矿结构与金刚石类似，可看成氧原子立方排列，4个锌原子占据金刚石中晶胞内四个碳原子的位置。纤锌矿结构和闪锌矿结构都有中心对称性并且都没有轴对称性，这样的对称性质使得纤锌矿结构ZnO具有压电效应和热电效应。[19]纤锌矿结构的点群为6mm，晶格常数a=3.25 Å，c=5.2 Å；c/a=1.602，接近1.633的理想六边形比例。在半导体材料中，其压电性高的原因主要是锌、氧多以离子键结合。

图1.ZnO的三种晶体结构

1.1.2 ZnO的能带结构

ZnO是一种宽禁带半导体材料，也是一种直接带隙半导体材料，六方纤锌矿结构有中心对称性，没有轴对称性，其能带结构比较复杂。纤锌矿结构ZnO晶体的能带结构，总体态密度和分波态密度如图3，4示。从图2能带图中我们可以看出，由O2s轨道组成能级最低的价带，O2p与Zn4s,Zn4p等轨道混合成能级较高的价带，主要由Zn4s轨道组成导带最低能级，Zn4p轨道组成导带最高能级；缺陷或其他局域微扰能级，很可能为由阳离子s轨道组成的导带最低能级和由阴离子p轨道组成的价带最高能级分别向下向上推斥后在原来带隙中形成的能级。[18]

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