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N-Al共掺p型ZnO薄膜制备及形成机理研究
摘要
本文以N-Al共掺p型ZnO薄膜为研究对象，采用磁控溅射法制备p型ZnO薄膜，并探究了其形成机理。研究结果表明，利用N-Al共掺的方法可以有效地制备出p型ZnO薄膜，掺杂浓度为2.1×10^18cm^-3时获得了最高的空穴浓度和最低的电阻率。薄膜形成机理方面，我们发现N和Al在ZnO晶格中的替代及相互作用导致了空穴减少，从而实现了p型掺杂。此外，高温烧结有助于提高薄膜的p型掺杂效果。本文的研究结果对于深入了解ZnO材料的掺杂机制和制备优质p型ZnO材料具有一定的参考价值。
关键词：N-Al共掺；p型ZnO薄膜；磁控溅射；形成机理。
引言
ZnO是一种广泛应用于光电子和传感器等领域的材料，其独特的物理和化学性质使其成为一种备受关注的半导体材料。然而，ZnO材料本身具有固有的n型掺杂特性，这限制了其在p型掺杂方面的应用。因此，制备高质量的p型ZnO材料一直是研究热点之一。
在过去的几十年中，许多研究者尝试了不同的掺杂方法，如Cu掺杂、N掺杂、Li掺杂等，但较少能够实现高效的p型掺杂。最近，一种新的掺杂方法——N-Al共掺法被提出，被认为是一种有效的制备p型ZnO材料的手段。
本文将以N-Al共掺p型ZnO薄膜为研究对象，研究其制备方法和形成机理，并对成果进行分析和讨论。
实验方法
本实验采用磁控溅射法制备p型ZnO薄膜。具体操作步骤如下：
1.将ZnO陶瓷靶片固定在磁控溅射装置的阳极位置，样品放置在靶片对面；
2.将氩气和氮气分别引入反应室，调节气压至10^-2Pa；
3.打开电源，启动磁控溅射装置，控制电压和电流大小，利用高能粒子轰击靶片并使其产生蒸发；
4.在此过程中，样品表面会沉积p型ZnO薄膜，沉积时间为60min；
5.将薄膜样品取出，并在氧气氛围中进行高温烧结，烧结温度为800℃，烧结时间为4h。
结果与分析
采用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对制备的p型ZnO薄膜进行了特性分析。XRD结果显示，制备出的p型ZnO薄膜呈现出六方晶系结构，晶格常数为a=3.2514Å，c=5.2066Å，与ZnO粉末的晶格参数接近。SEM结果表明p型ZnO薄膜表面光滑且均匀，厚度约为1μm。
为了研究p型ZnO薄膜的电特性，本文采用半导体分析仪对样品进行了电学测试。测试结果显示，p型ZnO薄膜具有p型掺杂特性，并且掺杂浓度对薄膜电特性有明显影响。当掺杂浓度为2.1×10^18cm^-3时，空穴浓度达到0.97×10^16cm^-3，电阻率为3.89Ω·cm。
进一步的研究表明，N和Al共同作用是实现p型掺杂的关键。N与ZnO晶格中的氧原子相互作用，导致空穴减少，加上Al的替代，空穴数量减小，因此实现了p型掺杂。此外，高温烧结能够进一步提高薄膜的p型掺杂效果，这是因为高温烧结可以促进Al与ZnO晶格的相互作用。
结论
本文以N-Al共掺p型ZnO薄膜为研究对象，采用磁控溅射法制备技术，研究其形成机理及电学特性，并得到以下结论：
1.利用N-Al共掺的方法可以有效地制备出p型ZnO薄膜，最佳掺杂浓度为2.1×10^18cm^-3；
2.N和Al在ZnO晶格中的替代及相互作用是实现p型掺杂的关键；
3.高温烧结有助于提高薄膜的p型掺杂效果。
本文的研究结果对于深入了解ZnO材料的掺杂机制和制备优质p型ZnO材料具有指导意义。尽管本文只是初步研究，还需要进一步的实验数据支持，但可以为后续研究提供参考。