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ZnO地膜的p型掺杂难度


 
   ZnO为II-VI族复合物半超导体资料,存在压电、热电、气敏、光电等多种性能,在许多畛域都有宽泛的利用。近年来ZnO在光电畛域的利用导致了人们的很大关注,这是因为ZnO在室温下禁带幅度为3.37eV,能够用来制备蓝光或紫外发亮二极管(LEDs)和莱塞(LDs)等光电器件。尤其是ZnO存在较高的激子禁锢能(60meV),大于GaN的24meV,彻底有可能在室温下兑现无效的激子发射,旋片式真空泵因而在光电畛域存在极大的停滞后劲。
   ZnO在光电畛域的利用依赖于高品质的n型和p型地膜的制备。目先驱们经过掺杂己经失掉了存在较好电学性能的n型ZnO。然而本征ZnO在外部轻易产生各族檀越型缺点,产生自弥补作用使得p型ZnO地膜难以制备,这种状况很大水平上制约了ZnO地膜在光电器件上面的停滞。因而如何继续掺杂失掉高品质的p型ZnO地膜始终是ZnO钻研畛域的难点和热点,只管近多少年科研人员制备出了p-ZnO地膜,但大都存在着一些问题,高载流子深浅、低电阻、电学性能稳固的p-ZnO地膜的制备问题仍然困扰着ZnO资料的停滞。如何经过实践和试验找到适合的受主杂质兑现高品质的p型掺杂将对ZnO的理论利用起到极大的推举动用。
   p型ZnO地膜难以制备的起因重要是因为ZnO存在诸多的本征檀越缺点而招致的自弥补效应。ZnO的本征点缺点正常有6种状态:氧空位VO、锌空位VZn、反位氧OZn、反位锌ZnO、间隙氧Oi和间隙锌Zni。氧空位VO为阳电核心,存在负库仑的招引势,其导带能级向低能挪动,进入带隙构成檀越能级。锌空位VZn为阴电核心,其价带能级向高能位置挪动,进入带隙构成受主能级。OZn缺点是O龙盘虎踞Zn原子团地位产生Zn的O反位,它招引近邻原子团的电子对构成阴电核心,价带能级进入带隙构成受主缺点。而ZnO缺点是O的Zn反位缺点而变成阳电核心,导带能级进入带隙构成檀越缺点。间隙锌Zni为阳电核心,其导带能级向低能挪动,进入带隙构成檀越能级,而Oi缺点态则是价带顶的受主能级。
   图1示出了上述六种缺点的能级状况,从图中也能够显然看出,ZnO的六种本征缺点中Oi和VZn是浅受主,而VO、Zni和ZnO是檀越型缺点。缺点构成的难易水平能够用构成能的上下来表明,VO和Zni无论在富Zn和富O条件下的构成能都很低(见图2),较之VZn和Oi更轻易在ZnO中存在。该署檀越的存在,可以弥补p型浅受主,也就是所谓的自弥补效应。掺杂构成反型缺点的内中是体系能量升高的内中,因而是体系趋于失调态的必而后果。禁带幅度越大,自弥补造成的能量升高越显著,对宽禁带资料掺杂时更轻易产生自弥补,因而经过正常的掺杂很难兑现资料的反型。
图1ZnO本征及掺杂能级
   p型掺杂难以兑现的另外一个起因是p型掺杂须要较高的马德隆能。在ZnO中,锌的电负性为1.65,而氧的阴电性为3.44,两者之差达成1.79,因而ZnO是一种离子结晶体。它结晶的难易水平在于于马德隆能的大小。n型掺杂时马德隆能升高,因而轻易继续;而p型掺杂使马德隆能增多,造成p型掺杂比拟困苦。
图2富Zn和富O条件下ZnO中各族本征缺点的构成能
   依据眼前的实践钻研和实际教训,要兑现ZnO的无效p型掺杂,务必满足以次的条件:其一,增多受主元素在ZnO中的掺杂深浅;其二,使受主能级在ZnO中变得更浅;其三,克制ZnO中的本征檀越缺点深浅,缩小自弥补效应。自然,这三者并不见得同声满足。眼前已提出3套步骤用来制备p型ZnO:(1)将Ⅴ族元素掺入氧空位:(2)将Ⅴ族元素与III族元素共掺杂入ZnO,或I族元素与VII元素共掺杂入ZnO;(3)真空泵用适量的氧以肃清氧空位的自弥补效应,这一类步骤常与Ⅴ族元素掺入法同声继续。
   在上述三种步骤中,共掺是眼前较为罕用的步骤。这种步骤最后由YamamotoT等提出,他们经过对电子价带构造的划算,提出运用受主和檀越共掺的步骤来克服ZnO的p型掺杂问题。通过划算表明,运用Li、N或者As的p型掺杂能够导致马德隆能的增多,而运用B、Al、Ga、In或者F都会使马德隆能减小。檀越变成受主的活性共掺剂,檀越和受主的共掺构成了受主-檀越-受主的复合对从而加强了受主的联合,减小了晶格能,并减小了p型掺杂的ZnO中的受主杂质的联合能。况且因为作为活性共掺剂的受主和檀越之间的强彼此吸吸力,因此升高了带隙间的受主的能级增多了檀越能级(见图3)。在此根底上,他们提出了多少种檀越-受主共掺对,如运用Ga和N共掺是比拟适合的,关于Li受主,F是较好的活性檀越,关于As受主Ga是预选的共掺檀越。
图3p型共掺半超导体的能级示用意

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