原子氮掺杂SnO2薄膜异质外延生长与载流子调控

本项目采用高浓度氮源磁控反应溅射的方法，在蓝宝石衬底上外延生长原子氮掺杂p型SnO2 薄膜，研究与杂质和缺陷相关的光学性质和载流子输运性能。研究氮源、工艺参数和激光诱导处理等对氮掺杂SnO2外延薄膜掺杂效率、微结构和物性的影响；探讨掺杂原子和晶格缺陷与薄膜的光致发光、光电导、载流子输运参数之间的内在联系；分析薄膜的能带结构、缺陷和杂质激活能；揭示氮掺杂SnO2薄膜p型导电的机理与载流子调控规律。SnO2是本征非极性宽禁带半导体，具有比ZnO更宽的直接带隙和更高的激子结合能，可望成为继ZnO之后另一种非常适合构筑紫外光电子器件的氧化物半导体。本项目将拓展宽禁带半导体的研究领域，并为 SnO2 基紫外光电子器件和非极性半导体的发展奠定一定的物理基础。

紫外光电器件在固态照明，集成光子学，传感器等领域具有重要的应用。宽禁带半导体是紫外光电器件的核心材料。二氧化锡具有宽带隙（3.6eV），高激子结合能（130meV）以及优异的光电性能等特点，是构筑紫外光电器件的理想材料。本项目采用磁控反应溅射方法，生长非掺杂和氮掺杂SnO2薄膜，对其电学和光学性质以及发光性能进行研究。采用“逆向制备”的策略，热氧化氮化锡薄膜生长氮掺杂二氧化锡薄膜，氮的化学状态为“原子氮”。退火温度等工艺参数对氮含量和化学态具有显著影响，可以实现调节载流子迁移率和浓度。合适的中等生长温度以及氮源是获得高品质p型薄膜的两个关键。通过优化工艺，获得最佳p型薄膜空穴迁移率和浓度分别为2.1 cm2/V•s和1.87×1019 cm-3。磁控溅射技术在蓝宝石衬底上成功外延生长出非掺杂SnO2薄膜。观察到SnO2薄膜中表面局域化激子和自由激子发光，认清表面激子发光的来源和机制，实现颗粒尺寸对发光峰强度的调控。通过本项目实施，获得了基本可以满足器件构筑要求的p型SnO2薄膜，从量子力学基本原理出发，获得半导体颗粒尺寸与发光效率之间普适性关系。