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ZnO薄膜p型掺杂的研究进展

时间:2024-08-31

肖立娟

作为第3代新型宽禁带Ⅱ-Ⅵ化合物短波长半导体材料的氧化锌(ZnO),具有3.37eV的禁带宽度和较小的波尔半径(1.8nm)以及高达60meV的激子束缚能,可以使ZnO在室温下实现有效的激子發射,在制备蓝光或紫外光等光电器件上比氮化镓(GaN)更有优势,展现出更广阔的应用前景[1]。ZnO具有极高的c轴择优取向,本征ZnO具有极的高电阻,使它具有良好的压电常数与机电耦合系数,可应用于压电、声光等器件[2,3]。与其他半导体材料相比,ZnO具有无毒、原料易得、价格低廉等优势,因此受到国内外的广泛关注。为了使ZnO能达到到实际应用的要求,需要制备高质量ZnO的p-n结。尤其是高质量的n型和p型的ZnO单晶薄膜。

目前n型ZnO单晶薄膜的制备已经十分成熟,因为:①本征氧化锌薄膜中存在着大量的施主和受主缺陷,并且施主缺陷占主要,所以通过自补偿作用后本征ZnO薄膜呈n型[4];②ZnO为离子晶体,在ZnO中,锌的负电性为1.65,氧的负电性为3.44,二者之差为1.79,它结晶的难易程度取决于马德隆(Madelung)能量的大小,进行n型掺杂时Madelung能降低所以容易进行,p型掺杂时Madelung能升高因此p型掺杂比较困难[5,6],这体现在受主杂质在ZnO中的固溶度比较低;③对于掺杂的ZnO,施主能级较浅,受主能及较深,因此可以形成良好的n型掺杂而不能形成有效的p型掺杂。

综上所述,p型ZnO制备的困难严重限制了ZnO在实际中的应用,如何制备出高结晶度、高电子迁移率、低电阻率、性能稳定的高品质p型ZnO薄膜成为了亟待攻克的难关。本文就p型ZnO薄膜的研究现状进行汇总并加以比较,希望能为研究人员提供制膜的新思路。

一、p型薄膜的制备方法

ZnO薄膜的制备方法多种多样,几乎所有的制膜技术都可以用来制作p型ZnO薄膜,如脉冲激光沉积法(PLD)、金属有机化学气象沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)、喷雾热解法(Spray-Pyrolysis)、磁控溅射法(MS)等。

用PLD法制膜其生长参数独立可调,能精确控制化学计量比,容易实现超薄薄膜的制备和多层薄膜的生长,并且薄膜的结晶性能良好。缺点是熔蒸“羽辉”具有很强的定向性,因而形成均匀厚度膜的范围很窄。

MOCVD法可制备大面积的均匀薄膜,通过调整原材料组分进而控制薄膜成分,并且成本相对较低,因此具有一定的工业应用前景。不足之处在于对衬底的温度要求较高,如控制不好会影响ZnO薄膜的结构。

MBE法制膜容易控制掺杂组分,并且原子层上生长所制薄膜纯度高、结晶性好、氧缺陷密度低、具有很好的紫外辐射特性。缺点在于维持超真空所需费用高,生长速率低。

Spray-Pyrolysis法制膜易于掺杂,可直接加入掺杂元素的盐溶液进行镀膜,并且此方法在常压下进行,可减少真空环境下生长的ZnO薄膜中的氧空位,此外这种方法设备与工艺简单有望实现规模化生产。

MS法是目前应用最多最成熟的制膜方法,其原理是电子在电场中加速与气氛中的氩原子发生碰撞,使其电离,离化后的氩离子飞向阴极靶,并以高能轰击靶面,使靶材发生溅射,溅射出来的靶材原子沉积在基片上形成薄膜。根据溅射源的不同分为直流、射频和中频磁控溅射。MS法具有沉积速率高、沉积温度低、维持放电的靶电压低、电子对衬底的轰击能量小、过程易于控制和适合与大面积薄膜的制备等许多优点。其不足之处在于靶材在溅射过程中容易发生靶中毒现象,并且很难制备出ZnO单晶薄膜。

二、p型ZnO薄膜的掺杂

研究人员已经通过掺杂I族元素取代锌(Zn)以及掺杂V族元素取代氧(O)制备出了p型ZnO薄膜,但薄膜的性质不理想,无法同时满足高空穴浓度、高载流子迁移率、低电阻率、高稳定性等。后来人们发现通过施主受主共掺杂的方法所制备出的薄膜在各方面性质均有所改善,这种方法最初由Yamamoto T[7,8]等人提出,通过他们对ZnO电子能带结构的理论计算表明,采用施主和受主共掺的方法可以促进p型掺杂的进行。n型掺杂〔铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)〕可使Madelung能降低,p型掺杂〔(氮(N)、磷(P)、砷(As)〕可使Madelung能升高。施主和受主的共掺形成了受主-施主-受主复合体,使原来受主-受主间的斥力变为受主-施主间的引力,从而增加了施主杂质的掺杂浓度。后来这种方法被国内外该领域的研究人员广泛应用与完善,目前已经成为制作p型ZnO薄膜的主要方法。另外,一些研究人员通过双受主共掺法也制备出了p型导电的ZnO薄膜[9]。

1.I族元素的掺杂

IA族元素〔钾(Li)、锂(Na)、钠(K)〕在掺入ZnO时除了会形成替位式杂质还会形成间隙式杂质,而间隙杂质通常呈施主型,会对替位杂质的受主作用产生一定的补偿,这也是用IA族元素掺杂难以制备p型ZnO薄膜的原因。基于密度泛函理论计算出Li、Na、K的受主电离能分别为0.11eV、0.16eV和0.29eV。从电离能的角度来看K的比较大,要使K电离需要吸收更大的能量,因此不适合用作施主掺杂,同时K的离子半径大,掺入ZnO时会伴随着氧空位Vo的生成,会对受主产生补偿作用,限制了K作为受主掺杂源的应用。用LiZn、NaZn、KZn表示替位式杂质,用Lii、Nai、Ki表示间隙式杂质。表1列出了Li、Na、K元素的缺陷形成能,通过表中数据可以看出,在替位杂质的形成能中LiZn的最大,NaZn和KZn相差不多,这表明Na跟K相对于Li而言更容易形成受主。而在间隙杂质的形成能中Lii最小,因而最容易形成间隙杂质。间隙杂质所产生的施主作用会补偿替位杂质的受主作用,此处也不适合作为p型ZnO薄膜的掺杂源。综合考虑,Na元素是IA族里理想的掺杂源。

浙江大学杨丽丽[10]通过采用NaxZn1-x合金靶材,利用直流反映磁控溅射技术制得了一系列Na掺杂ZnO薄膜,并通过XRD、Hall、SEM及透射谱等方法测试薄膜性能,研究了衬底温度、靶材中Na含量以及氩氧比气对薄膜性能的影响,并最终在靶材 Na含量为0.3%(原子数百分含量),氩氧比为2∶1,衬底温度为550℃的条件下制得了电阻率ρ=59.9Ω·cm,载流子浓度np=2.57×1017cm3,迁移率μ=4.06cm2/Vs的p型ZnO薄膜。浙江大学的韩玮智[11]采用同样的方法,在Na含量为0.2%(原子数百分含量),衬底温度为500℃的条件下制备出了载流子浓度np=1.07×1018/cm3,迁移率μ=2.12cm2/Vs,电阻率ρ=13.8Ω·cm的p型ZnO薄膜。结果表明利用Na掺杂获得了p型ZnO薄膜,并且引入Na后并没有降低薄膜的结晶质量,Na占据Zn的位置表现为受主。

虽然用Li和K掺杂制备p型ZnO的难度很大,人们还是取得了一些进展,Zeng等人[12]以Li-Zn合金靶为靶材,通过反映磁控溅射法在氩气(Ar)-氧气(O2)气氛下制备出了p型ZnO薄膜。在Li含量为0.1%(原子数百分含量),衬底温度为510℃时得到了电阻率ρ=17.6Ω·cm,载流子浓度np=1.01×1017/ cm3,迁移率μ=3.47cm2/Vs的p型ZnO薄膜。武军等人[13]以掺入1%氧化钾(K2O)的ZnO陶瓷靶为靶材,采用射频磁控溅射技术在单晶硅(111)面上成功生长出了p型ZnO薄膜,并对其结构和电学特性进行研究,最后在衬底温度为500℃,氧分压为30%时得到了表面粗糙度仅为89.05nm,载流子浓度np=5.45×1017/cm3,迁移率μ=1.96cm2/Vs,电阻率ρ=5.91Ω·cm的p型ZnO薄膜。由此可见,通过选用匹配度较高的衬底,在一定条件下,也能使Li、K替代Zn的位置成为受主,但是Li原子由于半径较小,还会形成间隙杂质而起到施主作用,所以载流子浓度普遍偏低。

西北工业大学的張立学等[14]制备了不同比例的碱金属掺杂ZnO靶材,利用磁控溅射法在Si(111)基片上制备不同温度下生长的c轴择优取向的ZnO薄膜,并研究了掺杂元素和掺杂比例对薄膜结构和发光特性的影响,通过XRD分析得出不同元素掺杂只对(002)峰峰位有微弱影响,是由于Na、K半径比Zn大,使晶格常数增大引起的。通过AFM分析薄膜表面平整度也是由于Na、K半径比Zn大所引起的。通过光致发光普分析碱金属的掺杂没有改变锌缺陷和氧缺陷的浓度,只可改变ZnO的禁带宽度,影响紫外峰峰位。

对IB族元素的金(Au)、银(Ag)、铜(Cu),人们也进行了一定的研究。与IA族元素相比IB族元素离子大小失配度较小,有可能比IA族元素更适合p型掺杂,但是Cu与Ag在ZnO中表现为深受主能级[15,16],而Au有+1和+3两个价态,情况更为复杂,这也揭示出了IB族元素作为p型掺杂源的不足。Y.F.Yan等人[17]用第一性原理计算出了IB族元素掺杂后杂质能级的位置,CuZn、AgZn、AuZn分别位于价带顶0.7eV、0.4eV、0.5eV处,并且Ag原子具有最大的离子半径,同时Ag原子d轨道能级与O原子p轨道能级间的排斥力也最弱,使它更容易进行替位掺杂。因此Ag比Au、Cu更适合作为p型掺杂源。隋成华等人[18]采用ZnO-Ag陶瓷靶为靶材,采用反应电子束蒸发法在氧化铝上掺Ag制成p型ZnO薄膜,生长温度范围从150~250℃,生长过程中薄膜呈n型,通过退火来实现反型,退火温度为300℃,所制薄膜的载流子浓度np=2.80×1016/cm3,电阻率为1.0kΩ·cm,迁移率为μ=0.22cm2/Vs ,增加退火温度后载流子浓度开始减小,薄膜电阻率增大。孙利杰等[19]利用磁控溅射技术在Si基片上生长了Ag掺杂ZnO薄膜,证明了受主缺陷是由Ag替位Zn引起的,最终得到了电阻率ρ=0.1Ω·cm,载流子浓度np=1.7×1018/cm3,迁移率μ=36cm2/Vs的p型ZnO薄膜,并在此基础上制备了ZnO:Ag/ZnO同质结I-V测试显示出了明显的整流特性。用Ag作为p型掺杂源制备出了性能比较优异的薄膜,但是该方法对衬底以及工艺要求较高,因此生产成本相应较高。

2.V族元素的掺杂

对V族元素N、P、As、锑(Sb)作N由于具有和O非常接近的原子半径(0.146nm)会以氧位氮NO的形式起受主作用,并且它的受主能级较浅,约170meV,更是人们研究的重中之重。1997年,Minegshi K等[20]首次得到了掺N的p型ZnO薄膜,掀起了N掺杂ZnO的研究热潮,常用的N掺杂源主要有一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氨气(NH3),很少直接用N2或者N2O是因为在掺杂过程中会形成(N2)O施主型杂质,在氮气(N2)和一氧化二氮(N2O)中都存在N-N键,而N-N键的键能很大,需要吸收很大的能量才能打开,因此很难得到氧位氮NO。P、As、Sb相对于N而言受主能级要深的多并且在ZnO中的固溶度比N要小,但是近些年研究者们也采用这些元素掺杂并取得了一些进展。

浙江大学的叶志镇等[21]采用NH3为N源,在氧化铝衬底上制备了N掺杂ZnO薄膜,并在衬底温度为500℃,NH3∶O2=1∶1的条件下得到了p型膜。但是由于H对N的钝化作用虽然薄膜呈p型,电阻率却很大。后来Zhang Y Z等[22]对NH3掺杂的p型ZnO薄膜进行后续退火处理,经N2气氛下500℃退火10min后,薄膜的电阻率从103Ω·cm降为7.73Ω·cm,说明退火工艺打破了N-H键,使N得到激活。李林等[23]采用等离子气体辅助分子束外延法以NO作为N源,高纯金属Zn为靶材,Zn靶温度为235℃,NO流量为0.6sccm的条件下在蓝宝石上制备出载流子浓度np=2.6×1017/cm3,迁移率μ=0.8cm2/Vs,电阻率ρ=30Ω·cm的p型膜。在后续的试验中通过改进生长方法,采用激活的N2和O2混合气体作为N源,并在生长过程中采用间歇生长的方式,即间歇性的关闭O2和Zn的阀门,但N等离子气体一直照射基片,用这种方法制备了载流子浓度np=1.68×1018/cm3,迁移率μ=1.98cm2/Vs,电阻率ρ=2.5Ω·cm的p型Z n O薄膜。N元素是人们研究较早的制备p型膜的杂质源,在掺杂的过程中应尽量避免H的钝化作用,从而得到高质量的p型半导体。

然而在2009年Lyons对N元素的掺杂机理提出了质疑,他在APL发表了一篇文章“why nitrogen cannot lead to p-type conductivity in ZnO”[24]并通过用理论计算证明了他们的观点,即只有当费米能级高于价带顶1.3eV以上,才能形成起受主作用的氧位氮NO,否则形成的NO是不带电荷的,起不到受主作用,由此得出结论N在ZnO中是以深受主形式稳定存在,此观点又与人们之前的认知相悖。尽管如此,Kawasaki[25]课题组在2010年通过MBE的方法以NH3为氮源在ZnMgO上面制备出了N原子浓度为1×1019/cm3的薄膜。这种理论上与实际之间的矛盾,还有待日后进行更深入的研究。

对于用磷作为p型掺杂源近些年也取得了很大的进展,通常采用的P源是Zn3P2和P2O5[26,27],B Yao等人[23]采用磁控溅射法在石英衬底上生长出了P掺杂的ZnO薄膜,经过750℃空气中退火5min后呈p型导电,并得出空穴的产生是由于形成了PZn-2VZn复合体,而不是PO。马鸣珂等人[28]用P2O5为P源利用磁控溅射技术在石英玻璃上制备了p型ZnO薄膜,并经后续的800℃快速退火后,使薄膜的各项性能得以优化,最终得到了载流子浓度np=7.47×1017/cm3,迁移率μ=12.5cm2/Vs,电阻率ρ=6.886×10-1Ω·cm的薄膜。由于P掺杂ZnO导电类型的转变严重依赖薄膜的生长环境以及后续的退火处理,因此对制膜工艺参数的要求较高,进行工业化生产的成本较大。

由于As的原子半径比较大,掺入ZnO中As可能会有3种行为即占据Zn位、占据O位、占据Zn与O的间隙位置。至于究竟是那种起受主作用,Ryu等人做了回答[29,30],他们通过采用分子束沉积技术生长了掺As的p型ZnO,用这种方法制备的薄膜比之前用热扩散法制备的薄膜结晶性要好,通过PL谱分析As在ZnO里是浅能級受主,并且证明了这是由于AsZn-2VZn复合能级引起的。Wahl[31]等人通过实验证明了 As原子起受主作用是因为占据了Zn的位置而不是O的位置。种种实验结果均证明了2004年Limpijumnong[32]提出的大尺寸适配原子掺杂理论是正确的。近期冯秋菊等人[33]在Si(100)衬底上制备出了高取向的As掺杂ZnO纳米线阵列,为ZnO基纳米光电器件的实现提供了一种可行的p型掺杂方法。

3.共掺法

进行ZnO的p型掺杂主要需要解决的一个问题就是受主杂质在ZnO中的固溶度,之前人们单一掺杂I族或V族元素,通过改变实验参数,变换制膜方法,改进生长条件,对p型薄膜的参数进行了优化,虽然也制备出了一些高质量的p型ZnO薄膜,但对实验条件,生长条件要求较高,从经济的角度来看没办法投入到实际应用中。常规方法进行单元素掺杂所制备的薄膜空穴浓度还是偏低,这是由于p型掺杂引起Madelung能的升高,不利于p型掺杂的进行,因此进入替代位置起受主作用的杂质很少,如果通过施主和受主杂质共同掺杂的方法就能使系统的Madelung能降低,使施主-受主间的引力取代原来受主间的斥力。因而人们对共掺杂方法进行了深入的研究。常用的共掺方法一般采用N与(Al、Ga、In)等施主杂质共掺,其中Al-N共掺法研究的比较多。浙江大学的叶志镇小组[34]曾在2004年制备出了载流子浓度为7.56×1017/cm3,电阻率为94.3Ω·cm的p型ZnO薄膜。重庆师范大学的梁薇薇等[35]也采用Al-N共掺法制备了一批载流子浓度高达1×1018~6×1018/cm3,对应的电阻率为1~9Ω·cm,迁移率为1~2cm2/Vs的优质p型膜,并得出了共掺的退火温度较单一掺杂有所降低,可能与失主杂质Al的掺入有关这一结论。该组在2008年时也曾采用In-N共掺的方法制备出了空穴浓度为1.22×1018/cm3,迁移率为2.19cm2/Vs,电阻率为2.33Ω·cm的p型ZnO薄膜[36],并研究了退火温度对薄膜性质的影响,在550~600℃,退火时间在5~10min内得到的薄膜性质稳定。

虽然施主-受主共掺的方法为制备p型ZnO薄膜提供了一个很好的思路,并取得了良好的效果,但此种方法也有它自身的弊端。施主-受主共同进入ZnO,薄膜中同时存在大量的施主缺陷和受主缺陷,导致这种p型ZnO薄膜的导电均匀性很差,从大量的实验结果中可以看出,很多研究人员通过施主-受主共掺的方法都得到了高补偿的薄膜,而这种薄膜是不能应用到实际的。

近些年,一些研究人员基于密度泛函理论的第一性原理,又提出了双受主掺杂法,比如将Li-N或Na-N同时作为受主杂质掺入ZnO中以获得更高掺杂浓度和更浅的受主能级。

浙江大学的林兰、叶志镇等[37]曾采用Na-N共掺法制备p型ZnO薄膜XPS分析表明,Na取代了Zn的位置作为替位受主存在,N主要以N-H键形式存在,至于是否存在NaZn-NO受主复合体,并没有给出肯定的答案。解小宇等[38]用平面波超软赝势法,通过构建理想模型,对Na-N共掺杂中Na与N分开和Na与N相连2种情况进行分析对比得出Na与N分开时,杂质元素在ZnO中更稳定,有利于杂质的施主作用。

对于Li-N共掺,浙江大学的卢洋番等[39]通过钝化作用,也制备了高度c轴取向的p型ZnO薄膜。胡小颖等[40]通过第一性原理研究了Li-N、Li-2N共掺ZnO的电子结构,基于第一性原理,采用平面波赝势法,对Li-N共掺形成的一个双受主缺陷,与Li-2N共掺形成的三受主缺陷进行比较得出Li-2N体系比Li-N体系具有更高的受主杂质浓度,并且非局域化特征更明显,更有利于制备p型ZnO薄膜,为实验提供了理论支持。

三、结语

ZnO半导体能否在今后得到广泛的应用取决于能否制备出高质量的ZnO基p-n结,尤其是能否制备出高质量的p型ZnO。虽然目前对ZnO薄膜p型掺杂的研究已经取得了一定的进展,但仍有很多问题需要解决,尽管可以制备出p型ZnO薄膜,但其稳定性不高,并且对其具体的导电机制,还没有明确合理的解释。对于掺杂元素、掺杂方法、制备方法的选择,仍有待继续探索;对薄膜内电子和空穴的行为仍然需要对其进行研究,并使理论与实验得到的结果相符,力图用最经济的方法制备出高空穴浓度、高迁移率、低电阻率、可重复性高的p型ZnO薄膜。

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