探究掺杂对ZnO薄膜禁带宽度的影响因素 .pdfVIP

探究掺杂对ZnO薄膜禁带宽度的影响因素

李静;郭米艳

【摘要】本文分析了ZnO的能带和态密度,总结了几种典型元素掺杂对ZnO薄膜

禁带宽度的影响规律及作用机理,得出影响ZnO薄膜禁带宽度的主要因素：掺杂浓

度、温度、厚度、带电粒子间的多体效应、杂质及缺陷带与导带的重叠。

【期刊名称】《江西化工》

【年(卷),期】2011(000)003

【总页数】4页(P4-7)

【关键词】掺杂;禁带宽度;ZnO薄膜

【作者】李静;郭米艳

【作者单位】华烁科技股份有限公司,鄂州436000;盐光科技有限公司,鄂州

436000

【正文语种】中文

【中图分类】O484.41

1引言

氧化锌(ZnO)属于六角晶系6mm点群，具有纤锌矿结构，是一种新型的Ⅱ－Ⅵ族

宽禁带直接带隙半导体材料，室温下禁带宽度约为3.3eV，由于ZnO具有

60meV激子束缚能(室温的热离化能为26meV)以及很强的紫外受激辐射，在短波

长发光器件如LEDs、LDs具有很大的发展潜力［1］，成为继GaN之后在宽禁带

半导体领域又一研究热点。要获得高性能的紫外发光器件，异质结的制备是关键的

问题之一，而实现ZnO能带调节是制备ZnO基结型器件的前提。

述上成发近几年有很多人从事能带剪裁工作，取得了一定的进展。随着能带剪裁工

程的日益成熟，人们希望能找到与ZnO材料晶体结构相同，晶格常数相近，禁带

宽度更近的材料以便拓宽ZnO的应用范围。通过掺入Mg和Cd等元素可使ZnO

的带隙在2.4eV至7.9eV之间可调，从而为制备蓝光、绿光、紫光等多种发光器

件提供了可能［2］。本文在阅读大量文献的基础上，总结了掺杂元素对禁带宽度

的影响，并就其作用机理进行了重点评述。

2ZnO掺杂现状

目前ZnO主要是n型掺杂和p型掺杂。n型掺杂主要是Ⅲ族元素(如B、Al、Ga.、

In等)，尤其对掺Al的研究最多。第Ⅲ主族元素的最外层是三个电子，以三价离子

代替Zn的二价离子，出现多余一个电子而成为施主杂质。这个多余的电子只需要

很少的能量，就可以摆脱束缚成为氧化锌薄膜中做共有化运动的电子，也就成为导

带中的电子。掺Al的ZnO薄膜为直接带隙简并半导体，多种方法制的透明导电

薄膜ZAO都存在“蓝移”现象。掺杂的氧化锌薄膜的禁带宽度大于可见光的能量，

对整个可见光的透射率高达90%以上。

p型ZnO的掺杂通常包括Ⅰ族元素(Li、Na、K、Ag、Cu、Au)、V族元素(N、P、

As、Sb、Bi)等。有效的p型掺杂必须满足较大的掺杂浓度和较浅的受主能级。其

中Ⅰ族元素掺杂易形成间隙而成施主态，具有高度的自补偿效应，作为受主掺杂并

不理想。因而目前关于ZnO薄膜p型掺杂的研究主要集中在N、P、As等V族元

素及其共掺杂上。

3掺杂对氧化锌薄膜禁带宽度的影响

3.1ZnO的能带与态密度

ZnO本征禁带宽度室温下约为3.30eV。沿布里渊区高对称点的本征ZnO的能带

结构如图1所示，图中零点为费米能级。本征ZnO的价带(VB)在费米能级之下，

导带(CB)在费米能级之上，价带顶和导带底之间的光跃迁最可能出现在K值为G

点的位置，所以为典型的直接带隙半导体能带结构。

图1纤锌矿ZnO能带结构图

由本征ZnO的态密度曲线(图2所示)可以看出，ZnO的价带可分为两部分:即价带

的低能端(－6.60～－3.80eV)主要来源于Zn的3d态，少部分来源于O的2p态

(O的2p态面积仅占到Zn的3d态面积的16%左右);价带的高能端(－3.80～0.41

eV)主要是O的2p态的贡献，少部分来源于Zn的3d态(Zn的3d态面积仅占到

O的2p态面积的24%左右)。ZnO导带(CB)部分主要由Zn的4S态及4P态构

成。

图2ZnO晶体态密度及Zn，O元素的分态密度

3.2几种典型元素掺杂对禁带宽度的影响及其作用机理

(1)掺Al、Ga.、In对禁带宽度的影响

掺Al、Ga.、In制的透明导电膜都存在“蓝移”现象，且随着掺杂比的增加光吸收

边界的“蓝移”现象越明显。有［3］报道这种“蓝移”现象的产生是由量子效应

引起的，随着颗粒的减小，半导体的