首页 资讯 应用 高压 设计 行业 低压 电路图 关于

新能源

旗下栏目: 轨道交通 新能源 智能装备 汽车电子

喷雾热解法生长N掺杂Zn0薄膜机理分析

新能源 | 发布时间:2017-10-14 | 人气: | #评论# |本文关键字:薄膜,分析
摘要:摘要:通过超声喷雾热解工艺,以醋酸锌和醋酸钱的混合水溶液为前驱溶滚,在单晶Si(100)衬底上制备了N掺杂ZnO薄膜,采用热质联用分析(TG-DSC-MS)、X射线衍射(XRD)、场发射扫描镜(FESEM)和霍

   摘要:通过超声喷雾热解工艺,以醋酸锌和醋酸钱的混合水溶液为前驱溶滚,在单晶Si(100)衬底上制备了N掺杂ZnO薄膜,采用热质联用分析(TG-DSC-MS)、X射线衍射(XRD)、场发射扫描镜(FESEM)和霍尔效应等手段研究了喷雾热解共一下N掺杂薄膜的生长机理、晶体结构和电学性能。
1 引言     
 Zn0是一种直接带隙宽禁带的II-VI族半导体材料,室温下禁带宽度约为3.36eV,激子结合能为60meV,在短波长光电器件领域有广泛的应用前景。然而,由于Zn0本征施主缺陷的高度自补偿作用,有限的受主固溶度以及较深的受主能级,难于实现Zn0薄膜的P型掺杂降叼,制备高质量的P型Zn0薄膜已成为限制Zn0基光电器件实用化的关键问题.理论研究表明N是最有效的受主掺杂元素,并且通过与III族元素共掺杂可以进一步提高N的固溶度,因此,N掺杂和N-III族元素共掺杂已成为目前获得P型掺杂的主要途径。

        许多方法用于制备P型Zn0薄膜,包括脉冲激光沉积(PLD)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、磁控溅射(MS)、化学气相沉积(CVD)以及喷雾热解法(SprayPyrolysis)等.其中喷雾热解法由于在常压下进行,可以减少真空环境下生长的Zn0薄膜中的O空位,从而弱化施主补偿作用,有利于P型掺杂的实现.本课题组已采用基于超声喷雾热解工艺的N-In共掺杂技术,成功实现了Zn0薄膜的P型电导,并获得了高的载流子浓度、迁移率和低的电阻率。然而,共掺杂技术由于引入了较多杂质而影响薄膜的发光效率,不利于获得高质量的光电器件.本文在硅衬底上生长了单掺N的Zn0薄膜,优化的工艺条件下成功实现了Zn0薄膜的P型掺杂,并着重讨论了前驱体溶液的热解过程和薄膜的生长机理。

2实验

    超声喷雾热解法制备N掺杂Zn0薄膜的实验装置见图1.前驱体溶液为Zn(CH3C00)2.H20(分析纯,0.5mo1/L)和CH3COONH4(分析纯,2.5mo1/L)的水溶液,溶液中Zn与N的原子比为1:3.衬底选用高阻p-Si(100)(电阻率为25-45Ω.cm),经标准半导体工艺清洗.溶液采用超声雾化器雾化后,经N:载气送入薄膜生长室,在加热的衬底表面发生热解反应生成Zn0薄膜.喷嘴到衬底表面的距离为5cm,衬底温度控制在3005000C。

    采用Netzsch STA429热质联用分析仪,在氢气保护气氛中对前驱溶液同时进行热重、差示扫描量热和逸出气体的质谱分析(TG-DSC-MS)温度范围为室温}60i}0C,升温速率100C/min。采用D/MAX-2550V X射线衍射仪(CuK)分析薄膜的结晶结构采用JSM-6700E场发射扫描电镜(FESEI\}}观察薄膜表面和断面的微观结构为表征薄膜的电学性能用范德堡方法,在JSM-6700F霍耳测试系统上测量薄膜的霍耳系数和电阻率,进而求出载流子浓度和迁移率。

     3结果和讨论

3.1前驱溶液的热分解过程

    研究超声喷雾热解工艺下薄膜的生长机理,首先要了解前驱体溶液的热分解过程.因此对Zn(CH3C00):和CH3COONH4混合溶液进行热质联用分析(TG-DSC-MS),结果如图2所示。可以看出,溶液在10001600C之间在TG曲线上出现很大的失重台阶,失重约试样重量的80%;同时DSC曲线在143.1 0 C附近出现一个非常强的峰.相应MS谱在该温度范围内出现了较强的H20+(m/z=18)和NH3 (m/z=17)的峰,表明逸出气体中H20和NH3的含量最多,从而说明此时失重主要由溶剂蒸发和CH3COONH4的分解引起,分解反应式为: CH3COONH4 →NH3↑+CH3C00H↑

    按上式,CH3COOH气体的逸出量应该与NH3相当,此外,Zn(CH3C002也会与水缩合,生成碱式醋酸锌Zn40(CH3C00)6,放出CH3COOH10:

                4Zn(CH3C00)2+H2O→Zn40(CH3C00)6+2CH3COOH↑

    而在MS谱上CH3COOH+(rn,/z=60)的强度远低于NH才,并且还出现了CO2(m/z=44)的峰,说明CH3COOH进一步发生了如下分解:
2CH3COOH->CH3COCH3+COz+H20

    随温度升高,在239.4摄氏度时DSC曲线出现一个微弱的峰,但TG曲线上无明显的失重台阶,因此认为吸热峰对应于Zn.}O(CH3CC}0)s的熔化.当温度继续升高时,在270-310摄氏度范围内出现一个失重台阶,同时DSC曲线在296.80 C也有峰出现,相应MS谱上也检测到了CO2峰,表明此时Zn40(CH3C00)6熔化后进一步发生了分解,反应式如下:

                    Zn4O(CH3C00)6→4Zn0+3CH3COCH3个+3C02

    综上所述,作为喷雾热解前驱体的醋酸锌和醋酸钱混合溶液,在加热过程中依次经过溶剂蒸发、醋酸按分解、碱式醋酸锌的熔化、分解等过程,最终残余物质为ZnO4,在分解过程中产生的NH3将成为薄膜生长过程中的N掺杂源。

 

责任编辑:电气自动化网

热门文章

首页 | 资讯 | 应用 | 高压 | 设计 | 行业 | 低压 | 电路图 | 关于

Copyright 2017-2018 电气自动化网 版权所有 辽ICP备17010593号-1

电脑版 | 移动版

Ctrl+D 将本页面保存为书签,全面了解最新资讯,方便快捷。