衬底温度对N-Al共掺杂ZnO薄膜形貌及光致发光性能的影响

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1008 助 锨 材 料 2010年第6期(41)卷 衬底温度对N—A1共掺杂ZnO薄膜形貌及光致发光性能的影响’ 钟爱华1,谭 劲1’2,陈圣昌1,包鲁明1,艾 飞1,李 飞1 (1.中国地质大学材料科学与化学工程学院,湖北武汉430074; 2.地质过程与矿产资源国家重点实验室,湖北武汉430074) 摘 要: 采用超声喷雾热解法在不同衬底温度条件 虽然理论计算和实验表明Ⅲ一V族元素共掺杂可以提 高N元素等受主掺杂的固溶度¨’7],但N元素等在 ZnO中的固溶度仍然非常有限。

Y.J.Zeng[81等用光 电子能谱仪(XPS)检测出N-AI共掺杂ZnMgO薄膜 中N的摩尔含量仅为1.8%。

因此通过优化衬底温度 以降低ZnO施主型缺陷浓度对优质P型ZnO的制备 具有非常重要的意义。

蓝宝石、石英玻璃、单晶硅及普通硅酸盐玻璃都可 以作为衬底沉积Zn0薄膜。

一些研究者采用磁控溅 射法在玻璃衬底上系统地研究了衬底温度对Zn0薄 膜室温光致发光性能的影响,发现各个衬底温度条件 下沉积的样品光致发光光谱都由紫光、蓝光和绿光峰 组成m10]。

P.Sagar[1u等采用溶胶一凝胶法在玻璃衬底 上研究了退火温度对薄膜光致发光性能的影响,研究 发现绿光峰随着退火温度的升高而逐渐增强。

因此, 如何在廉价的玻璃衬底上制备出高质量的ZnO薄膜 是其大规模实用化的关键。

本实验采用普通硅酸盐玻 璃作衬底,考察衬底温度对Zn0薄膜的室温光致发光 性能、结晶质量和缺陷浓度的影响,从而通过优化衬底 温度在普通硅酸盐玻璃衬底上制备结晶质量高、缺陷 浓度低的ZnO薄膜。

2 下沉积了N—Al共掺杂ZnO薄膜,衬底为普通硅酸盐 玻璃。

利用X射线衍射仪、原子力显微镜和荧光光谱 仪表征了样品的晶体结构、形貌及室温光致发光性能。

结果表明,ZnO颗粒尺寸随着衬底温度的升高而逐渐 增大;低温下沉积的样品发光光谱中缺陷发射光占主 导,随着衬底温度的升高这些缺陷发射光强度逐渐减 弱,当温度升高到450℃时只有紫外发射光。

缺陷发 射光强度的减弱意味着薄膜缺陷浓度减小、晶体趋于 完整,同时反映出施主型缺陷浓度随衬底温度的升高 而逐渐减小,这对减弱ZnO薄膜P型掺杂时V。

或Zni 等施主缺陷的自补偿效应很有意义。

关键词: 超声喷雾热解法;衬底温度;形貌;室温光致 发光 文献标识码:A 中图分类号:0484.1;0484.4+1 文章编号:1001—9731(2010)06-1008—04 1 引 言 ZnO是一种新型的Ⅱ一VI族直接带隙型宽禁带半 导体材料,室温下Zn0禁带宽度为3.37eV,激子束缚 能高达60meV,具有很强的近带边(NBE)紫外光发 射,因此可制备成紫外光、蓝光等短波长发光器。

例如 L.J.Mandalapu[1]等人用分子束外延法制备了Ga掺 杂ZnO紫外光探测器。

并且ZnO制备温度低、原料丰 富、价格低廉、环境友好和高的化学稳定性等优点,使 其成为备受瞩目的光电材料。

AI掺杂Zn0(ZnO:A1)具有低电阻率、高化学稳 定性和高可见光透过率口矗],可以作为高质量的透明电 极,在许多领域(如太阳能电池)具有广泛的应用前景。

而高的激子束缚能和无毒无害等优点又使得ZnO有 望制备成高效率的发光二极管(LED),成为GaN的替 代材料。

但是在研制发光二极管所需要的ZnO同质 P—n结方面没有太大的进展,主要原因在于难以制备 稳定性高、电阻率小和重复性好的P型ZnO。

ZnO中 存在大量的Zni、Vo等本征施主缺陷,使得未掺杂的 ZnO为n型


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