半导体薄膜制备及光电性能表征

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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、Ca、In与N、P、As等形成的化合物，主要有InP、GaAs

2、、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、

3、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3.37eV。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

4、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

5、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、G

6、e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、In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、A

7、u、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

8、）、化学气相沉积（CVD）、液相外延（LPE）、湿化学方法（WCM