p型MgZnO的制备一直是高效紫外发光和日盲紫外探测器件研究领域的重要课题之一。本文针对N掺杂p型MgZnO薄膜材料中存在的空穴浓度低、电阻率高等科学问题, 采取磁控溅射技术, 利用氮气与氩气混合气体分别溅射MgZnO陶瓷靶和B-N共掺杂MgZnO 陶瓷靶的方法,制备出N掺杂和B-N共掺杂MgZnO薄膜。 通过Hall测量表征发现两种薄膜均呈现p型导电特性, 与N掺杂MgZnO相比, B-N共掺MgZnO的空穴浓度从5.53×1015 cm-3提高到2.63×1017 cm-3, 而迁移率变化并不明显(从0.83 cm2·V-1·s-1减小到0.75 cm2·V-1·s-1), 导致电阻率从1.36×103 Ω·cm减小到31.70 Ω·cm。通过XRD和XPS表征揭示了在B-N共掺MgZnO中, B替代Mg或Zn, N除了具有NO和(N2)O两种掺杂状态外, 还有以单原子占据O位但与B成键的第三种掺杂状态, 证明B掺杂可以提高N在MgZnO中的受主掺杂浓度, 但对空穴散射影响很小, 从而提高p型MgZnO的空穴浓度, 降低电阻率。

ZnO是优异的紫外发光和激光材料, 氮被认为是p型ZnO和MgZnO的理想受主掺杂剂, 但在较低生长温度下氮的掺入会显著破坏晶格完整性, 使氧化锌的载流子迁移率进一步下降。为了研究N的掺入对MgZnO薄膜的影响, 利用分子束外延设备在蓝宝石衬底上生长了N掺杂的ZnO和MgZnO薄膜。实验结果表明, 在其他条件完全相同的情况下, 当Mg源温度为245 ℃和255 ℃时,载流子迁移率会显著提高, 这一现象被归结为Mg—N成键抑制了氧位上N—N对的形成, 缓解了晶格的扭曲。同时当Mg源温度为275 ℃时, 能够使N掺杂ZnO薄膜中的施主浓度降低一个量级, 有利于实现p型掺杂。

利用磁控溅射技术，以Mg0.06Zn0.94O为陶瓷靶材，制备了N掺杂p型Mg0.13Zn0.87O薄膜，薄膜的电阻率为42.45 Ω·cm，载流子浓度为3.70×1017 /cm3，迁移率为0.40 cm2·V-1·s-1。研究了该薄膜p型导电性质在室温空气下随时间的变化情况。实验结果表明，薄膜的电阻率逐渐升高，载流子浓度降低，五个月以后，薄膜转变为n型导电，电阻率为85.58 Ω·cm，载流子浓度为4.53×1016 /cm3，迁移率为1.61 cm2·V-1·s-1。真空热退火后重新转变为p型。结果显示，其p型导电类型的转变与在空气中吸附H2O或H2等形成浅施主有关。

利用磁控溅射设备, Mg0.04Zn0.96O陶瓷靶材, 以高纯的氮气与氩气混合气体作为溅射气体, 在石英衬底上沉积获得了N掺杂p型Mg0.07Zn0.93O薄膜, 薄膜的电阻率为21.47 Ω·cm, 载流子浓度为8.38×1016 cm-3, 迁移率为3.45 cm2/(V·s)。研究了该薄膜的结构与光学性能。实验结果显示, 其拉曼光谱中出现了位于272和642 cm-1左右与NO相关的振动模。低温光致发光光谱中, 可以观察到位于3.201, 3.384和3.469 eV的3个发光峰, 其中位于3.384 eV的发光峰归因为导带电子到缺陷能级的复合发光, 而位于3.469 eV的发光峰归因为受主束缚激子(A0X)的辐射复合, 这说明该N掺杂MgZnO薄膜的空穴载流子主要来自NO受主的贡献。

利用射频磁控溅射方法, 使用Mg0. 04Zn0.96O 陶瓷靶材,选用不同流量比的氮气和氩气混和气体作为溅射气体, 在石英基片上生长N掺杂MgxZn1-xO合金薄膜。研究了氮流量比对薄膜组分、结构、形貌、电学性质和拉曼光谱的影响。结果显示:随着溅射气氛中氮流量比的增加, 薄膜中Mg含量增加, 薄膜表面颗粒尺寸减小, 结晶质量变差, 电阻率逐渐增大, 导电类型发生转变。在氮流量比为20%时, 获得了最好的p型导电薄膜。另外, 随着氮流量比的增加, 拉曼光谱中与NO相关的位于272 cm-1、642 cm-1左右的振动峰逐渐增强, 表明NO的浓度随着氮流量比的加大而有所增加。

利用射频磁控溅射技术，在相同流量的氮气、氩气混合气体条件下，在石英基片上溅射获得了不同Mg含量的N掺杂MgxZn1-xO薄膜，并研究了Mg含量对N的掺杂行为和薄膜光电性能的影响。结果显示，在N掺杂MgxZn1-xO薄膜中，随着Mg含量的增加，薄膜的电阻率增加，载流子浓度下降；X射线电子能谱中位于395 eV左右的N1s峰强逐渐减弱、甚至消失；Raman光谱中与受主NO相关的位于272 cm-1、642 cm-1左右的振动峰也随之减弱、消失。得到的结果表明:在N和O的化学势相同的条件下，薄膜中Mg含量对N的掺杂行为有一定的影响，随着Mg含量的增加，受主NO的掺杂浓度降低，N的掺杂状态发生变化；N掺杂MgxZn1-xO薄膜中Mg含量低时,存在NO与(N2)O两种状态；Mg含量高时，薄膜中只存在 (N2)O一种形式。

利用射频磁控溅射技术，高纯的氩气作为溅射气体，分别选用不同Mg含量的MgxZn1-xO陶瓷靶材，在石英衬底上生长六角纤锌矿结构的MgxZn1-xO薄膜，并对薄膜进行了后期热退火处理。研究了Mg含量对MgxZn1-xO薄膜光学性质的影响。实验结果显示，随着Mg含量的增加，薄膜的带隙变宽; 光致发光光谱中近带边发射中心蓝移，近带边紫外发射与可见光区深能级发射强度比值减小，发光质量下降; 拉曼光谱仍然保持着ZnO的拉曼振动模式，但随着Mg含量的增加，E2high振动峰逐渐展宽，峰型对称性变差。分析表明，随着Mg的合金化，薄膜中产生了更多的杂质缺陷，结晶质量下降。

使用准分子脉冲激光沉积(PLD)方法在Si(100)基片上制备了高度c轴取向的MgZnO薄膜。分别使用SEM、XRD、XPS、PL谱和吸收谱表征了薄膜的形貌、结构、成分和光学性质。实验发现氧气压强对MgZnO薄膜的结构和光学性质有重要影响。当氧气压强由5 Pa增大到45 Pa时, 薄膜的PL谱紫外峰蓝移了86 meV, 表明氧气压强的增大提高了MgZnO薄膜中Mg的溶解度。在15 Pa氧气压强下制备的薄膜显示了独特、均匀的六角纳米柱状结构, 其PL谱展示了优异的发光特性, 具有比其他制备条件下超强的紫外发射和微弱的可见发光。500~600 nm范围内的绿光发射, 我们讨论其机理可能源于深能级中与氧相关的缺陷。使用PLD得到纳米柱状结构表明: 优化制备条件, 可望使用PLD制备ZnO纳米阵列的外延衬底; 可使用PLD技术开发基于ZnO纳米结构的高效发光器件。

选用Mg0.2Zn0.8O陶瓷靶，利用脉冲激光沉积(PLD)法，在单晶Si(100)和石英衬底上生长了一系列MgZnO薄膜(MZO)。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)和紫外可见光透射光谱(UV-Vis)等实验手段，研究了在不同工作压强下生长的薄膜样品的晶体结构、微观形貌和光学性能的变化。结果表明:所有的薄膜样品都是单一的ZnO六方相，禁带宽度随生长压强的升高而增加，变化范围在3.83~4.05 eV之间，最短吸收边接近300 nm。

用PLD法成功制备了一系列高质量的MgZnO薄膜。实验中发现高脉冲能量沉积薄膜的结构和发光特性随基片温度的变化规律与低脉冲能量下的结果不一样：基片在室温时高脉冲能量制备薄膜的XRD峰的半峰全宽比高基片温度时的结果相对更小;AFM显示其颗粒变大,柱状生长突出;PL谱紫峰与绿峰强度比最大,结晶质量反而提高。另一方面,与低脉冲能量时相反,增大氧气压强后高脉冲能量沉积的薄膜XRD半峰全宽变窄。结合实验现象和表征,合理解释了高脉冲能量沉积的机理。室温制备高质量MgZnO薄膜的PLD沉积机理对于以后在柔性衬底上沉积薄膜的研究有重要的参考价值。