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研究生： 黃建綸
Huang, Jian-Lun
論文名稱： PN型氧化鋅奈米結構之研究
Investigation of p-n type zinc oxide nanostructures
指導教授： 吳振名
Wu, Jenn-Ming
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 76
中文關鍵詞： 氧化鋅 、p-type 、奈米柱
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    • 在二十世紀初期，人們已經開始研究氧化鋅，包括它的光學性質、電學性質、結晶性質。近年來氧化鋅的奈米結構蓬勃發展，在光電的應用上受到矚目。但是想要有更好的光電應用，必須先製作出低阻抗的p型氧化鋅，這是目前的一大難題，仍待克服。
    本論文主要研究氧化鋅奈米柱與p型氧化鋅，使用氧化鋅種子層與摻雜鋁的氧化鋅種子層來成長奈米柱，並由一些簡單的參數變化與種子層的改善，觀察奈米柱的成長情形，嘗試製作出分散性好、垂直性佳的奈米柱。使用氧化鋅種子層的溶液濃度為1 mM，搭配水熱法濃度為6.67 mM，成長出的奈米柱密度為2×109(個數/㎝2)，且垂直性佳；摻雜鋁氧化鋅種子層上覆蓋厚度為82nm的氧化鋅薄膜並成長奈米柱，順利在柱體間被填充入材料，表示分散性好，且垂直性佳。p型氧化鋅，由於奈米結構量測上的困難，嘗試製作p型薄膜，以pn接面來進行整流量測，以得出整流效果來證明p型摻雜的成功。氮摻雜薄膜電阻率約為1000 Ω×㎝，且得到整流特性，成功做出p型氧化鋅薄膜；氮鋁共摻雜薄膜在鋁1%左右的摻雜量之下，電阻率更下降為200 Ω×㎝，且得到整流特性，亦為p型薄膜。

    目錄 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機 4 第二章 文獻回顧 6 2-1 氧化鋅簡介24-27 6 2-2氧化鋅的摻雜25,26,28 8 2-3 氧化鋅的奈米結構34,35 12 第三章 實驗方法 25 3-1 實驗大綱 25 3-2 氧化鋅種子層成長氧化鋅奈米柱 25 3-3 鋁摻雜氧化鋅種子層成長氧化鋅奈米柱 26 3-4 鋁氮共摻雜之氧化鋅薄膜 27 3-5氧化鋅薄膜與氮鋁共摻雜氧化鋅薄膜之電壓電流量測 28 3-6 熱處理 28 3-7 量測儀器 28 第四章 結果與討論 32 4-1氧化鋅種子層成長氧化鋅奈米柱 32 (a) 氧化鋅種子層之旋轉塗佈機轉速 32 (b) 氧化鋅種子層之退火溫度 32 (c) 水熱法時間 33 (d) 水熱法溫度 34 (e) 種子層溶液濃度 34 (f) 奈米線的垂直與分散控制 35 (g) 種子層的旋鍍次數 35 (h) 水熱法的濃度 35 4-2摻雜鋁之氧化鋅薄膜上成長摻雜鋁之氧化鋅奈米柱 36 (a) 摻雜鋁之氧化鋅薄膜 36 (b) 摻雜鋁之氧化鋅薄膜(AZO)上成長摻雜鋁之氧化鋅奈米柱(AZO NRs) 37 (c) AZO薄膜上旋鍍氧化鋅薄膜成長氧化鋅奈米柱 37 (d) AZO薄膜上旋鍍氧化鋅薄膜成長氧化鋅奈米柱，在以氧化鋅薄膜旋鍍覆蓋 40 4-3 鋁氮共摻雜之氧化鋅薄膜 40 (a) 0%鋁、1%鋁，並與氮共摻雜的氧化鋅薄膜 41 (b) 1.4%鋁、2%鋁，並與氮共摻雜的氧化鋅薄膜 41 4-4 氧化鋅薄膜(n型)與氮鋁共摻雜氧化鋅薄膜(p型)之電壓電流量測 42 第五章 結論 71 第六章 參考文獻 73 圖目錄 圖 2-1 : 氧化鋅晶體結構圖25。 16 圖 2-2 : 間隙氫的結構圖37。 16 圖 2-3 : 氧化鋅不同摻雜施體形成受體激子對之PL光譜38。 17 圖 2-4 : 氧化鋅施體PL光譜分析38。 17 圖 2-5 : (a) ZnO : 2N (純氮摻雜),(b) ZnO : (3族元素，2N)。31 18 圖 2-6 : 醋酸銨的分解。41 18 圖 2-7 : 不同霍爾量測位置與霍爾電壓的結果。33 19 圖 2-8 : 氧化鋅之一維結構。34 20 圖 2-9 : 氧化鋅奈米柱(直徑大於20 nm)退火前後之PL光譜。42 20 圖 2-10 : MOCVD不同時間下成長之氧化鋅奈米柱(由a到e，時間增長)。35 21 圖 2-11 : HMT包圍住氧化鋅奈米柱的非極化面。36 21 圖 3-1 : 水熱法成長奈米柱示意圖。...................................30 圖 3-2 : 氧化鋅種子層成長氧化鋅奈米柱的實驗流程圖。 30 圖 3-3 : 鋁摻雜氧化鋅種子層成長氧化鋅奈米柱的實驗流程圖。........... 31 圖 3-4 : 氮鋁共摻雜薄膜與氧化鋅薄膜電壓電流量測流程圖。............. 31 圖 4-1 : 不同轉速下的SEM俯視圖。(a) 2000 rpm，(b) 3000 rpm，(c) 4500 rpm。 44 圖 4-2 : 不同退火溫度下的 SEM俯視圖。(a) 300℃， (b) 450℃，(c) 600℃。 45 圖 4-3 : 不同退火溫度下的結晶繞射圖。 46 圖 4-4 : 不同成長時間下的SEM俯視圖與截面圖。 47 圖 4-5 : 不同成長時間的結晶繞射圖。 48 圖 4-6 : 不同成長溫度的SEM俯視圖及截面圖。 49 圖 4-7 : 不同成長溫度的結晶繞射圖。 50 圖 4-8 : 不同種子層溶液濃度的SEM俯視圖。(a) 0.5mM，(b) 5 mM。 50 圖 4-9 : 不同旋鍍次數下的SEM俯視圖。...............................51 圖 4-10 : 不同水熱濃度的SEM俯視圖與截面圖。(a) 20mM，(b)6.67mM。 52 圖 4-11 : 摻雜鋁之氧化鋅薄膜的SEM俯視圖與截面圖。 53 圖 4-12 : 摻雜鋁之氧化鋅薄膜的結晶繞射圖。..........................53 圖 4-13 : 摻雜鋁氧化鋅薄膜上成長摻雜鋁氧化鋅奈米柱的SEM俯視圖。 54 圖 4-14 : AZO薄膜上不同的氧化鋅旋鍍次數成長氧化鋅奈米柱的SEM俯視圖與截面圖。............................................................55 圖 4-15 : 不同氧化鋅厚度下與成長出的奈米柱示意圖。 56 圖 4-16 : AZO薄膜與氧化鋅薄膜霍爾量測示意圖。 56 圖 4-17 : 不同旋鍍次數覆蓋的氧化鋅之SEM俯視圖與截面圖。............47 圖 4-18 : 不同鋁的比例之氮鋁共摻雜氧化鋅薄膜的結晶繞射圖。 48 圖 4-19 : 不同鋁的比例之氮鋁共摻雜氧化鋅薄膜的SEM俯視圖與截面圖。(a) 1.4%，(b) 2%。 49 圖 4-20 : 不同鋁的比例之氮鋁共摻雜氧化鋅薄膜的結晶繞射圖。 60 圖 4-21 : 不同鋁的比例之氮鋁共摻雜氧化鋅薄膜的電壓電流量測圖。 61 圖 4-22 : 氧化鋅薄膜與氮鋁共摻雜的電壓電流量測示意圖。..............62 圖 4-23 : 鋁1.2%試片歐姆接觸檢測。(a) pp接觸 ，(b) nn接觸。 63 圖 4-24 : 不同鋁的比例之氮鋁共摻雜氧化鋅薄膜的電壓電流量測圖，於7日後再次量測。..........................................................64 表目錄 表 2-1 : 氧化鋅自身缺陷能階理論計算表27。 22 表 2-2 : 氫鍵結的IR光譜頻率26。 22 表 2-3 : 氧化鋅p型摻雜之鍵長、受體能階、AX中心形成能量。39 23 表 2-4 : 不同摻雜之Madelung energy計算結果。40 23 表 2-5 : 氮摻雜與氮鋁共摻雜之霍爾量測結果。32 23 表 2-6 : PLD高壓低壓的參數與成長。35 24 表 4-1 : 不同轉速下的奈米柱密度。...................................65 表 4-2 : 不同退火溫度下的奈米柱密度。 65 表 4-3 : 不同成長時間的奈米柱性質。 66 表 4-4 : 不同水熱溫度的奈米柱性質。 66 表 4-5 : 不同種子層溶液濃度的奈米柱密度。 66 表 4-6 : 不同旋鍍次數下的奈米柱密度。...............................67 表 4-7 : 不同水熱濃度的奈米柱密度 67 表 4-8 : 摻雜鋁氧化鋅薄膜的霍爾量測結果。 68 表 4-9 : AZO薄膜與不同旋鍍次數下的氧化鋅薄膜之性質，與成長過後的奈米柱的性質。 68 表 4-10 : AZO薄膜與氧化鋅薄膜的霍爾量測。 69 表 4-11 : 不同鋁的比例之氮鋁共摻雜氧化鋅薄膜的電阻率。 69 表 4-12 : 不同鋁的比例之氮鋁共摻雜氧化鋅薄膜的電阻率、膜厚。14h表示試片經14小時後再量測。 70

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