半导体薄膜制备和光电性能表征

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1、半导体薄膜制备及光电性能表征一、实验简介《半导体薄膜》实验主要内容：半导体薄膜简介.以ZnO薄膜为例.介绍其性能、生长和应用；磁控溅射生长ZnO薄膜；霍尔效应介绍；ZnO薄膜的性能测试.以Hall测试来表征ZnO薄膜的电学性能。二、半导体薄膜半导体薄膜的基本分类可如下：（1）Ⅳ族半导体.如Si、Ge、金刚石等.为元素半导体；SiC等.为化合物半导体。（2）Ⅱ-Ⅵ族半导体.如Zn、Cd与O、S、Se、Te形成的化合物.主要有CdS、ZnSe、ZnO等.为化合物半导体。（3）Ⅲ-Ⅴ族半导体.如Al、C

2、a、In与N、P、As等形成的化合物.主要有InP、GaAs、GaN等.为化合物半导体。（4）复杂化合物半导体.如Cu（In.Ga）Se2等。（5）有机半导体。在上述半导体材料中.Si和Ge的禁带宽度分别是1.12eV和0.66eV.此类半导体为窄禁带半导体；ZnO和GaN的禁带宽度均约为3.37eV.此类半导体为宽禁带半导体。另外.按照能带结构.导带底和价带顶在K空间中是否处在同一位置.还可分为间接带隙和直接带隙半导体.Si、Ge为间接带隙半导体.ZnO、GaN为直接带隙半导体。本实验以ZnO为

3、例介绍半导体材料.ZnO在自然界中以矿物的形式存在.人们在研究应用的过程中.先后制备出了多种形态的ZnO材料.如：粉体、陶瓷体材、体单晶、薄膜和纳米结构等。薄膜材料指的是利用某些生长技术.在衬底或基板上沉积一层很薄的材料.厚度通常在nm或μm量级。三、ZnO半导体薄膜ZnO是一种“古老”而又“新颖”的材料.ZnO很早便作为一种陶瓷结构被广泛应用.而ZnO作为一种半导体材料的研究则始于上世纪80年代。ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料.同GaN一样.为直接带隙宽禁带半导体.室温下禁带宽度3.37e

4、V。ZnO激子结合能为60meV.是GaN（25meV）的2倍多.可以实现室温甚至高温的激子复合发光.是一种理想的短波长发光器件材料。ZnO晶体有三种不同的晶体结构。自然条件下.其结晶态是单一稳定的六方纤锌矿（Wutzite）结构.属六方晶系.图1为不同视角下的结构示意图。分子结构的类型介于离子键和共价键这之间。晶格常数为a=0.3243nm、c=0.5195nm.Zn-O间距为0.194nm.配位数为4：4。ZnO的分子量为81.39.密度为5.606g/cm-3.无毒、无臭、无味、无砂性两性氧

5、化物.能溶于酸、碱以及氨水、氯化铵等溶液.不溶于水、醇(如乙醇)和苯等有机溶剂。熔点为l975ºC.加热至1800ºC升华而不分解。图2显示了常用的一些半导体材料禁带宽度和晶格常数的关系。在所有的宽禁带半导体中.ZnO与GaN最为接近.有相同的晶体结构、相近的晶格参数和禁带宽度.ZnO与GaN的晶格失配很小(~1.8%)。ZnO可以与CdO或MgO形成ZnCdO或ZnMgO三元合金。CdO的禁带宽度为2.3eV.MgO的禁带宽度为7.7eV.理论上...ZnO和CdO或MgO形成的三元合金体系可以

6、将禁带宽度扩展到2.3~7.7eV的范围.覆盖了从紫外到可见光的大部分波谱范围。ZnO为极性半导体.存在着诸多的本征缺陷（如：Zn间隙Zni和O空位VO等）.天然呈n型。ZnO可供选择的施主掺杂元素很多.包括IIIA族元素（如B、Al、Ga、In）、IIIB族元素（如Sc和Y）、IVA族元素（如Si、Ge和Sn）、VIB族元素（如Ti和Zr）、VB族元素（如V和Nb）、VI族元素（如Mo）.他们掺入ZnO取代Zn.提供电子。此外.掺入F、Cl等VII族元素O.提供电子。IIIA族元素Al、Ga、I

7、n是最为常用的.特别是Al掺杂ZnO（AZO）薄膜.10-3~10-4Ωcm量级。图1ZnO晶体原子点阵示意图图2半导体材料禁带宽度和晶格常数的关系相对于n型掺杂.ZnO的p型掺杂困难得多。全世界科学家10余年不懈努力.实验室中实现了较为稳定且低阻的p型ZnO薄膜.但离实用化还有不小的距离ZnO的p型掺杂主要通过以下两个途径：一种是Ⅰ族元素.如Li、Na、K、Au、Ag、Cu等.替代Zn形成浅受主.产生空穴；另一种是Ⅴ族元素.如N替代O形..成受主.产生空穴.掺入P、As、Sb等也可以产生空穴。目

8、前研究最多的是N元素掺杂.多元素掺杂技术：N替代-H钝化、施主–受主共掺杂、双受主共掺杂等方法。N替代O受主能级深(200meV).空穴激活难；N在ZnO中固溶度低(平衡态1013/cm3).掺入难；本征ZnO中氧空位缺陷密度高.自补偿严重。目前.几乎所有的制膜技术均可用于ZnO薄膜的生长.而且生长温度一般较低.这有利于减低设备成本.抑制固相外扩散.提高薄膜质量.也易于实现掺杂。薄膜生长方法可大致分4种：物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、液相外延（LPE）、湿化学方法