李 倩,张玉琛,王正铎,杨丽珍,张海宝,刘忠伟,陈 强
(北京印刷学院 等离子体物理与材料研究室,北京 102600)
氧化锌(ZnO)是II-VI族半导体,带隙宽度为3.4 eV,激子结合能高达60 meV[1],且ZnO原材料丰富、价格低廉、对环境无毒无害、制备工艺简单,因此具有潜在的巨大商用价值,被广泛应用于透明导电电极[2]、蓝/紫外发光二极管(LED)[3]、紫外探测器[4]、太阳能电池[5]和许多光电器件等。在ZnO光电性能应用的研究中,提高载流子的浓度和迁移率并形成p-n结是ZnO薄膜实用化的关键。但是由于ZnO薄膜在生长过程中存在诸多的本征施主缺陷(如氧空位Vo和锌间隙Zni),对受主产生高度自补偿作用,且受主溶解度低、受主能级深[6],故ZnO的p型掺杂相对于n型掺杂显得异常的困难,这使得构建高效和稳定的本征ZnO p-n结一直是一个挑战。
一些薄膜制备技术诸如分子束外延(MBE)[7]、脉冲激光沉积(PLD)[8]、金属有机化学气相沉积(MOCVD)[9]和磁控溅射(MS)[10]等已经被用于制备ZnO。其中MS技术具有易控制、重复性好、可生产性高等优点,被认为是目前最有效的方法。在MS中,高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)因其溅射物种被高度电离,所获得的高密度电子增强了掺杂分子气体的离解,反应活性大幅度提高,可以更好地控制薄膜的成分,因此制备的ZnO薄膜性能可能会有很大的提高。
尽管有许多关于采用N2直接掺杂成功生长p-ZnO膜的报道[11-13],但实验结果的重复性差、制备薄膜的稳定性差一直阻碍N2掺杂的研究进展[14-15]。采用共掺杂可以改善仅用N2掺杂的不足,利用Al-N共掺杂ZnO中Al-N键的形成,提高N0受主的稳定性和含量。本工作拟采用HiPIMS技术在玻璃基底上制备Al-N共掺杂ZnO薄膜,主要研究N2流量对ZnO薄膜导电类型转变和光电性能的影响。采用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)和霍尔效应测量等手段对不同N2流量下制备的ZnO薄膜的性能进行了系统的成分、结构和性能的分析,确定HiPIMS在制备p-ZnO中的可能性。
实验采用自行研制的高功率脉冲磁控溅射装置(如图1所示)进行ZnO薄膜的沉积和掺杂。靶材为锌铝(Al 3wt%)合金靶,溅射气体为Ar(纯度99.99%),反应气体为O2(纯度99.999%)和N2(纯度99.999%),基底为玻璃片。将玻璃基片安装在样品架之前,用去离子水和乙醇进行超声波清洗15 min,然后用N2流干燥,置入真空腔室内。在ZnO薄膜沉积生长过程中,向溅射气体Ar中加入O2、N2进行N、Al共掺杂。研究了N2流量分别为8 mL/min、10 mL/min、15 mL/min、20 mL/min、25 mL/min和30 mL/min等时的共掺杂情况。在薄膜沉积过程中,脉冲电压、脉冲频率和脉冲宽度设置为1 000 V、200 Hz和50μs,O2和Ar流量分别为15 mL/min和30 mL/min,基底加热温度固定在200℃,沉积室本底压力为2×10-3Pa,工作压力为0.3 Pa,靶-基距约为6 cm。
通过霍尔效应仪(ECOPIA,HMS-3000)在室温下检测制备的薄膜电阻率、迁移率和载流子浓度。薄膜的表面形貌和粗糙度通过原子力显微镜(AFM)(DI INNOVA,Veeco)在轻敲模式下表征。采用X射线衍射仪(XRD,Rigaku)测试薄膜的结晶质量和晶体结构。利用紫外分光光度计(Cary 100 UV-Vis)测试薄膜的透光率。薄膜的成分通过X射线光电子能谱(XPS)(Thermo Scientific Escalab 250 Xi)分析。
图1 实验装置示意图Fig.1 Experimental device
图2(a)为不同N2流量下沉积的Al-N共掺杂ZnO薄膜的XRD图谱。从图中发现,当N2流量小于20 mL/min时,仅存在(002)衍射峰,为单晶薄膜,薄膜具有类似于未掺杂ZnO薄膜的纤锌矿结构[16](JCPDS 36-1451)。当N2流量超过20 mL/min时,衍射峰向低θ角偏移,出现Zn(N2)2的衍射峰。
为了进一步研究薄膜的微观结构,计算了Al-N共掺杂ZnO薄膜的(002)峰的半峰宽(FWHM)。图2(b)显示,共掺杂ZnO薄膜的FWHM值随N2流量先减小后增加。基于FWHM值和Scherrer[17]公式,计算了晶粒尺寸L,如图2(b)所示,随着N2流量的增加,L值先增大后减小。当N2流量为20 mL/min时,FWHM最小,L达到最大。这表明随着N2流量的增加,薄膜的晶体尺寸呈现先增大后减小的变化趋势。其原因可能是由于一个Al原子可以与多个N原子相结合[18],当N2流量较小时,薄膜中的Al原子过量,导致Al原子处于ZnO晶体的间隙位置,进而影响了晶体的尺寸。随着N2流量的增大,有更多的Al-N成键,晶体尺寸增大。当N2流量过多时,由于薄膜中N的受主固溶度一定,此时的N原子是以N分子的形式掺入薄膜中,造成晶体尺寸的变小。在图2(a)中,Zn(N2)2的衍射峰在30 mL/min N2流量时出现也证明N不再以N原子形式掺入薄膜中。
图2 不同N2流量下制备掺杂的ZnO薄膜曲线Fig.2 Doped ZnO films prepared at different N2 flow rates
图3 (a)~(d)是N2流量为20 mL/min时薄膜的XPS分析图。无掺杂ZnO的Zn2P3/2峰位于1021.3 eV。当薄膜掺杂后,从图3(a)可以看出,Zn 2P3/2位于1 024.2 eV,其原因是存在Zn-O键和Zn-N两种键。由于薄膜中Zn-N键的增加,且Zn-N比Zn-O键中Zn原子具有更大束缚能,使得Zn 2P3/2相对于无掺杂ZnO峰位移了2.9 eV[18]。
图3 N2流量为20 mL/min时制备的掺杂ZnO薄膜的XPS谱图Fig.3 XPS of doped ZnO films prepared at a flow rate of 20 mL/min in N2
图3 (b)为Al的XPS谱图,Al 2P峰位于74.5 eV,即Al在ZnO薄膜中主要是以Al-N键的形式存在。这和文献[19]所报道的Al 2P峰在74.2 eV、以Al-2N键合团簇的形成不同[20],HiPIMS产生的高能离子反应导致Al键合能向高能量方向转移,这可能会增加N0含量,是共掺杂ZnO薄膜实现p-ZnO型稳定导电的关键因素。在氮掺杂氧化锌中,产生与氮有关的缺陷主要有两种形式[21]:(1)N原子取代晶格中的氧原子形成N0缺陷;(2)氮分子取代晶格中的氧原子形成(N2)0缺陷。而是否可以实现稳定p-ZnO的关键就在于仅形成(N)0受主,避免形成施主(N2)0。如图3(c)为N的XPS谱图中N1s仅存在一个峰,位于398.4 eV,为N0,没有(N2)0(404.1 eV)峰的出现,这表明薄膜导电类型可能为p型,这将在随后的霍尔测量中得到验证。
图3(d)为O1s的XPS谱图。可以看到O1s为宽的非对称峰,分成两个峰:弱峰位于530.1 eV、强峰位于531.6 eV。530.1 eV峰可归因于形成的O2-[22],由吸附于表面或者晶界处的氧分子造成。位于531.6 eV的峰常被认为是间隙氧(Oi)引起[23]。然而Oi不稳定且对p-ZnO导电性影响小。在薄膜中有N原子的掺杂后,N原子会与Oi结合为O-N-O结构,这种结构十分稳定,有利于p-ZnO的形成,促进p-ZnO的稳定。
图4(a)~(f)为不同N2流量下制备的ZnO薄膜的表面形貌,图5为不同N2流量下ZnO薄膜的粗糙度。可以发现,N2流量对Al-N共掺杂ZnO薄膜的晶粒尺寸和表面形貌有很大的影响。随着N2流量的增加,ZnO薄膜的晶粒尺寸增大,粗糙度减小,这和图2(a)XRD测量结果一致。原因是由于随着N2流量的增加,N2掺杂到ZnO薄膜中的浓度增加,有利于调节因Al的掺杂而造成的晶格失配,使晶粒长大并且增强了晶核的稳定性。
图5 不同N2流量下ZnO薄膜的粗糙度曲线Fig.5 Roughness of ZnO films with different N2 flux
由图4(f)可以看到,当N2流量增加到20 mL/min时,晶粒尺寸最大,晶粒分布均匀。当N2流量继续增加到30 mL/min时,晶粒尺寸变小,尺寸分布均匀性变差,薄膜的表面粗糙度增大。这可能是由于N2以N分子的形式掺入ZnO薄膜中,形成(N2)0施主缺陷,从而使晶核的稳定性变差,导致晶核难以长大,结晶性能降低,进而影响了晶粒尺寸均匀性,薄膜粗糙度增大。
2.4.1 电学性能
表1为不同N2流量下制备的ZnO薄膜的电学性能。从表中可以发现,随着N2流量的增加,薄膜的晶体质量趋于良好,薄膜的载流子浓度不断增加,薄膜的导电类型从n型转变到p型,再回到n型。
表1 不同N2流量下制备ZnO薄膜的电学性能Tab.1
当N2流量为10 mL/min、15 mL/min和20 mL/min时,薄膜主要为p型导电。特别是在20 mL/min时,Al-N共掺的p-ZnO薄膜表现较好的电学性能,电阻率为4.51 Ω·cm,载流子浓度为5.47×1017cm-3,霍尔迁移率为2.7 cm2/Vs。Katayamayoshida等[24]提出,铝原子适量的掺入可增加N在ZnO薄膜中的受主固溶度,降低N的受主能级。薄膜中掺杂的Al的含量一定,则N的受主固溶度就不变。而N2流量超过20 mL/min时,薄膜中N含量过多,此时N将以N分子((N2)0)的形式掺入ZnO薄膜中,成为间隙电离施主中心,从而ZnO中的空穴载流子浓度降低,薄膜的电学性能变差,同时薄膜表现为n型导电类型。
2.4.2 光学性能
图6(a)为不同N2流量下ZnO薄膜在可见光范围内的透过率。可以看出,Al-N共掺杂ZnO薄膜在可见光波段透过率都大于85%的。随着N2流量的增加,ZnO薄膜的光透过率下降,吸收峰向长波方向偏移,发生了“红移”现象[25],这与薄膜结构成分、结晶度的变化、以及薄膜中N含量的增加所产生的缺陷对光的散射有关[26-27]。
图6 不同N2流量下ZnO薄膜的透过率和光学带隙曲线Fig.6 Transmittance and band gap spectrum of ZnO films at different N2 flow rates
通过ZnO薄膜的透过率可以计算薄膜的光学能带隙值[28]:
式中:α为吸收系数;hυ为入射光子能量;C为与材料折射率有关的常数。
由图6(b)得到,随着N2流量的增加,Al-N共掺杂ZnO薄膜的带隙先减小后增加,这是由于一开始随着N2流量的增加,薄膜的晶体质量趋于变好,N原子主要以填充O空位形式掺入ZnO薄膜中,导致薄膜的光学带隙减小。然而,N原子在ZnO薄膜中的受主固溶度有限,N2流量的进一步增加反而会引入更多的施主杂质,进而导致薄膜的光学带隙增加。
通过采用反应HiPIMS在玻璃基底上沉积Al-N共掺杂ZnO薄膜,得出以下结论:
(1)N2流量对Al-N共掺杂ZnO薄膜的导电类型的转变和电学性能有很大的影响。当N2流量为8 mL/min时,薄膜导电类型为n型。随着N2流量的增加,载流子浓度增大,薄膜导电类型从n型转变为p型,然后再变为n型;
(2)Al-N共掺杂ZnO类似于未掺杂ZnO,为纤锌矿结构。当N2为20 mL/min时,FWHM最小为0.416,为结晶性较好的单晶结构;
(3)Al-N共掺杂ZnO薄膜的透过率在可见光区域高于85%。当N2流量20 mL/min时,Al-N共掺杂ZnO薄膜表现为性能较好的p型导电类型:电阻率为4.51 Ω·cm,载流子浓度为5.47×1017cm-3,霍尔迁移率为2.7 cm2/Vs。