NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT ZnO TẠP CHẤT (In, N) BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN
TÊN ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÀNG DẪN
ĐIỆN TRONG SUỐT ZnO:(In, N) BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHÚN XẠ MAGNETRON DC
CBHD : TS. LÊ VŨ TUẤN HÙNG
HVTH : ĐÀO ANH TUẤN
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO
1
VẬT LIỆU ZnO PHA TẠP LOẠI P
2
CHẾ TẠO MÀNG ZnO:(In, N)
3
KẾT LUẬN
4
PHẦN MỞ ĐẦU
Ứng dụng của vật liệu bán dẫn ZnO
Cảm biến
khí
LED
OLED
Laser
diode
Pin mặt
trời
Màng mỏng dẫn điện
trong suốt
Màng bán
dẫn pha tạp
loại n

p-n
Trong suốt
Màng bán
dẫn pha tạp
loại p
Tình hình nghiên cứu chế tạo bán dẫn ZnO-p
Dẫn điện loại p với điện trở suất
thấp
Dẫn điện loại p với điện trở
suất cao
Dẫn điện loại n, loại p với
điện trở suất cao
Dẫn điện loại n với
điện trở suất tốt
Màng ZnO:(III, N)
Màng ZnO:(V)
Màng ZnO:(I)
Màng ZnO thuần
Chế tạo màng bán dẫn đồng pha tạp loại p:
-
Độ truyền qua của màng trên 85%.
-
Điện trở suất thấp (~ 10
-2
Ω.cm), nồng độ
hạt tải cao (~ 10
19
cm
-3
).

-
Khảo sát tiếp xúc dị thể p-ZnO/Si-n.
Mục tiêu đề tài
1.1 Cấu trúc tinh thể ZnO
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO
hexagonal wurtzite zinc blende
rocksalt

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO
Sai hỏng Schottky và sai hỏng Frenkel.

Sai hỏng Schottky và sai hỏng Frenkel.

1.2 Các loại sai hỏng điểm
CHƯƠNG II: VẬT LIỆU ZnO PHA TẠP LOẠI P
2.1 ZnO pha tạp loại p
Mức năng lượng acceptor của các nguyên
tố sử dụng pha tạp tạo bán dẫn loại p
Mức năng lượng acceptor của các nguyên
tố sử dụng pha tạp tạo bán dẫn loại p
E
mad
(Li
Zn
) là:
+12.61 eV
E
mad
(Li
Zn

) là:
+12.61 eV
E
mad
(N
O
) là:
+0.79 eV
E
mad
(N
O
) là:
+0.79 eV
N là nguyên tố thích hợp
nhất để pha tạp vào mạng
ZnO tạo ra p-ZnO.
N là nguyên tố thích hợp
nhất để pha tạp vào mạng
ZnO tạo ra p-ZnO.
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO
2.2 Đồng pha tạp acceptor – donor (A - D)
T Yamamoto đã đề xuất phương pháp đồng pha tạp:
Vùng dẫn
Vùng hóa trị
Mức đơn
Mức đơn
donor (D)
acceptor
(A)

Năng lượng
- Tăng cường tính hợp
thức của mức acceptor.
- Giảm mức năng lượng
acceptor, tăng mức năng
lượng donor trong vùng
dẫn.
Giản đồ vùng năng lượng của bán
dẫn đồng pha tạp loại p.
Giản đồ vùng năng lượng của bán
dẫn đồng pha tạp loại p.
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÀNG ZnO:(In,N)
Quy trình chế tạo mạng ZnO:(In, N)
Chế tạo bia gốm
ZnO và ZnO:In
Chế tạo bia gốm
ZnO và ZnO:In
Chọn hệ phún xạ
Chọn hệ phún xạ
Ảnh hưởng của
N
2
/(N
2
+ Ar)
Ảnh hưởng của
N
2
/(N
2

+ Ar)
Ảnh hưởng của
nhiệt độ đế
Ảnh hưởng của
nhiệt độ đế
Xử lý đế
Xử lý đế
Ảnh hưởng của
Tạp In
Ảnh hưởng của
Tạp In
Bố trí bia đế
Bố trí bia đế
Phún xạ tạo màng
Phún xạ tạo màng
Màng loại p chất
lượng tốt nhất
Màng loại p chất
lượng tốt nhất
Khảo sát tiếp xúc
p-ZnO:(In, N)/Si-n
Khảo sát tiếp xúc
p-ZnO:(In, N)/Si-n
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÀNG ZnO:(In,N)
Bột
ZnO + In
2
O
3
Tạo hình

và kiểm tra
Nghiền ướt với
nước cất
Sấy khô
rây nhuyễn
Trộn với
keo PVA
Định hình
bằng lực ép
Bay hơi keo
Dung kết
3.1 Quy trình chế tạo bia gốm ZnO:In
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÀNG ZnO:(In,N)
Chu trình nhiệt độ của quá trình dung kết.
Chu trình nhiệt độ của quá trình dung kết.
Bia gốm trước khi phún xạ.
Bia gốm sau khi phún xạ.
3.1 Quy trình chế tạo bia gốm ZnO:In
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÀNG ZnO:(In,N)
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÀNG ZnO:(In, N)
3.2 Hệ phún xạ tạo màng
Sử dụng hệ magnetron
không cân bằng:
-
Tăng thông lượng ion và
điện tử đến đế.
-
Tăng năng lượng của
các hạt đến đế
Sử dụng hệ magnetron

không cân bằng:
-
Tăng thông lượng ion và
điện tử đến đế.
-
Tăng năng lượng của
các hạt đến đế
Cấu tạo hệ magnetron
Cấu tạo hệ magnetron
h
x
Bố trí bia đế tránh tác động của ion âm
h=3.5 cm và x = 2.5 cm.
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÀNG ZnO:(In, N)
3.3 Bố trí bia đế
1
1
2
2
3
3
Ảnh hưởng
của nồng độ
tạp In lên cấu
trúc, tính chất
điện và quang
của màng
Ảnh hưởng
của nhiệt độ
đế lên cấu

trúc, tính chất
điện và quang
của màng
Ảnh hưởng
của tỷ lệ khí
nitơ lên cấu
trúc, tính chất
điện và quang
của màng
CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO MÀNG ZnO:(In, N)
ẢNH HƯỞNG NỒNG ĐỘ TẠP In
Cấu trúc của màng ZnO:(In, N)
Phổ X-ray các mẫu T128, T121, T124B, T127, T126 và T119.
Phổ X-ray các mẫu T128, T121, T124B, T127, T126 và T119.
2 theta (độ)
Mẫu T128 T121 T124B T127 T126 T119
Tạp In (%wt) O 1 1.5 2 2.5 3
Thông số khác
P=3mTorr; I=0.35A; V=520V; Thời gian phún xạ t=15 phút;
T= 300
0
C ; N
2
/(N
2
+Ar)=50%.
ẢNH HƯỞNG NỒNG ĐỘ TẠP In
Tạp In (% khối lượng)
Cấu trúc của màng ZnO:(In, N):
Kích thước hạt (D) thay đổi theo tạp In.

Kích thước hạt (D) thay đổi theo tạp In.
Mẫu
Tạp In
(% wt)
Độ linh
động
(cm
2
/V.s)
Điện trở
suất (Ω.cm)
Nồng độ hạt
tải (cm
-3
)
% Truyền
qua
T128 0 84.51 0.3302 +2.237.10
17
87%
T121 1 4.589 0.4262 +3.192.10
18
87%
T124B 1.5 0.972 0.2686 +2.390.10
19
88%
T127 2 2.828 0.0997 +2.266.10
19
85%
T126 2.5 0.849 0.4081 +1.802.10

18
86%
T119 3 13.18 17.650 +2.683.10
15
86%
ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ TẠP In
Tính chất điện của màng ZnO:(In, N):
Tính chất điện và quang của các màng ZnO:(In, N)theo tỷ lệ tạp In
Tính chất điện và quang của các màng ZnO:(In, N)theo tỷ lệ tạp In
ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾ
Tính chất điện của màng ZnO:(In, N):
1.8.10
2


Tạp In %wt
Ảnh hưởng của tỷ lệ tạp In lên tính chất điện của các màng ZnO:(In, N)
Ảnh hưởng của tỷ lệ tạp In lên tính chất điện của các màng ZnO:(In, N)
Bước sóng (nm)
ẢNH HƯỞNG NỒNG ĐỘ TẠP In
Tính chất quang của màng ZnO:(In, N)
Phổ truyền qua của các màng ZnO:(In, N) theo tỷ lệ tạp In
Phổ truyền qua của các màng ZnO:(In, N) theo tỷ lệ tạp In
Sự dịch chuyển
bờ hấp thu:
-
Tạp donor In
-
Tạp acceptor N
Sự dịch chuyển

bờ hấp thu:
-
Tạp donor In
-
Tạp acceptor N
ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ ĐẾ
Tác giả: Lê Quẹo (2010).
Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ tạp In lên tính chất quang của màng
ZnO: In.
Phổ truyền qua của các màng màng ZnO:In với lượng tạp In thay đổi (1-4 %wt)
Phổ truyền qua của các màng màng ZnO:In với lượng tạp In thay đổi (1-4 %wt)
Bước sóng (nm)
ẢNH HƯỞNG NỒNG ĐỘ TẠP In
Tính chất quang của màng ZnO:(In, N)
Phổ truyền qua của các màng ZnO:(In, N) theo tỷ lệ tạp In
Phổ truyền qua của các màng ZnO:(In, N) theo tỷ lệ tạp In
Sự dịch chuyển bờ
hấp thu:
-
Tạp donor In
-
Tạp acceptor N
Sự dịch chuyển bờ
hấp thu:
-
Tạp donor In
-
Tạp acceptor N
 Sự dịch chuyển
bờ hấp thu của mẫu

T127 phần lớn là do
acceptor nitơ đã
chèn tốt vào trong
màng.
 Sự dịch chuyển
bờ hấp thu của mẫu
T127 phần lớn là do
acceptor nitơ đã
chèn tốt vào trong
màng.
ẢNH HƯỞNG NỒNG ĐỘ TẠP In
Phương pháp EDS
Mẫu % at O % at Zn % at In % at Si % at Ca
T124B 40.9 53.59 1.06 3.38 1.06
T127 41.14 56.26 1.58 0.60 0.442
T126 44.51 47.34 1.95 4.98 1.22
Hàm lượng các nguyên tố trong màng ZnO:(In, N) được xác định bằng
phương pháp EDS
Hàm lượng các nguyên tố trong màng ZnO:(In, N) được xác định bằng
phương pháp EDS
ẢNH HƯỞNG NỒNG ĐỘ TẠP In
Xác định hàm lượng In, nitơ màng ZnO:(In, N):
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
keV
002
0
100
200
300
400

500
600
700
800
900
1000
Counts
OKa
SiKa
CaKa
CaKb
ZnLl
ZnLa
ZnKa
ZnKb
InLl
InLa
InLb
InLb2
InLr
InLr2,
Phổ EDS màng T127.
Phổ EDS màng T127.
K
O
=0.525 keV
K
O
=0.525 keV
K

N
=0.392 keV
K
N
=0.392 keV