基于锌空位调控的N掺杂p型ZnO导电特性及稳定性研究

ZnO has potential applications in short wavelength optoelectronic devices, the key challenge for it is widely been used is to prepare good quality p-type ZnO. However, till now, the microstructure of the acceptors and their forming process in p-type ZnO have not been understood clearly by researchers, and the conductivity and stability of the prepared p-type ZnO cannot meet the requirements of the devices. The latest theoretical calculation indicates that the hole carriers of N doped ZnO might origin from the acceptor No–VZn complex, but it is not widely recognized by the peers. In our previous works, we found that N implantation can effectively produce N acceptors and VZn defects simultaneously in ZnO, and they could form complexes with good stability upon certain annealing condition. In this project, on the basis of our previous works, we use N+ ions implant into oxygen-enriched ZnO thin film and/or ZnO single crystal, by optimizing the N implantation parameters (energy, dose ) and annealing conditions (temperature, time, ambience) on experiments, the formation of acceptor No–VZn complex can be well regulated and meanwhile the compensation effect of donor defects can be reduced effectively. By combining with the experiments and first principles calculation, the formation mechanism of the acceptor No-VZn complex and its effect on the conductivity and the stability of N doped p-type ZnO are systematically studied. The aim in this project is to clarify the conductive mechanism of p-type ZnO by N doping, and provide an important reference and effective way for the fabrication of good quality and high stability of p-type ZnO.

要实现ZnO在短波长光电子器件的应用，关键是制备出优质的p型ZnO。然而， 目前人们对p型ZnO的受主微观形态及其形成过程，还没有清晰的认识，获得p型ZnO的导电特性及稳定性也不能满足器件的要求。最新理论研究指出N掺杂ZnO的空穴载流子可能来自受主复合体No-VZn，但还不被国际同行广泛认可。前期工作中，我们发现N离子注入能在ZnO中同时生成No和VZn，而且在一定退火下它们可能结成稳定的复合体。本项目旨在前期工作基础上，采用N离子注入富氧ZnO薄膜/ZnO单晶，通过优化N离子注入参数(能量、剂量)和退火（温度、时间、气氛）等实验条件有效调控促进No-VZn的形成并减少本征施主缺陷及杂质的补偿效应，结合第一性原理计算，深入研究受主复合体No-VZn的形成及其对p-ZnO导电特性及稳定性的影响机制。为澄清N掺杂p型ZnO的导电机理，制备高性能、稳定的p-ZnO提供有效途径和重要参考。

ZnO具有优异的光电特性，是制备短波长光电器件的理想材料。然而，目前人们对p型ZnO的受主微观形态及其形成过程还没有清晰的认识，获得p型ZnO的导电特性及稳定性也不能满足器件的要求。本项目主要开展基于锌空位调控的N掺杂p型ZnO导电特性及稳定性研究。项目采用SRIM软件模拟了N离子注入ZnO的过程，发现高能量的N离子能在ZnO中引起相当数量的空位缺陷，特别是锌空位（VZn）缺陷，为本项目的开展奠定了良好基础。. 在优化N离子注入参数下，项目采用不同剂量（1.0×1015 cm-2~5.0×1016 cm-2）N离子注入ZnO单晶薄膜，并采用RAP快速退火工艺研究了不同温度（700-950℃）、气氛（O2/N2）、时间（1-3min）等对N离子注入ZnO薄膜n/p转变及特性的影响，借助Hall、Raman、SIMS、XPS、低温PL等测试手段，结果发现：当N离子注入剂量为5.0×1016 cm-2条件下，样品在N2气氛中850-900℃退火3min，表现为p型导电。850℃退火的样品p型导电特性仅能维持数天，而在900℃退火的样品经过三个月的跟踪测试，依然十分稳定；获得最佳样品的空穴浓度9.60×1017 cm-3，电阻率为0.37 Ω•cm，迁移率为17.6 cm2V-1s-1；而其他样品则表现为n型导电或高阻态。N离子注入导致ZnO形成的VZn缺陷主要以团簇形式存在，适当的退火条件可以有效解离VZn团簇，并促使No-VZn浅受主复合体的形成，其离化能约为0.161 eV；同时，退火可有效消除ZnO中间隙锌（Zni）相关浅施主缺陷的补偿；最终导致ZnO薄膜实现稳定的p型导电。理论上采用第一性原理计算证实了Zni是导致No-VZn难于稳定存在的关键原因。本项目的实施，对于澄清N掺杂ZnO薄膜的p型导电机制，认清影响N掺杂p-ZnO薄膜导电稳定性的主要原因具有积极贡献。此外，本项目在ZnO薄膜n型导电机制方面也进行了初步探索，结果发现间隙锌(Zni)和氧空位(VO)结合的复合缺陷是未掺杂ZnO薄膜呈现n型导电的主要施主来源。. 本项目执行期间，圆满完成了预定研究内容，并取得了一定研究成果，共计发表论文8篇，其中SCI收录7篇，培养硕士研究生1人，部分研究成果还将与2019年发表。严格执行项目经费预算，顺利完成相关研究任务和考核要求。