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本论文主要分为三部分:第一部分，采用MOCVD工艺，选用了MgF2单晶基片，成功制备出了异质外延的无畴SnO2单晶薄膜，研究了薄膜的结构、光学和电学性质;第二部分，在第一部分研究基础上，采用MOCVD工艺，分别制备了Nb和Ta掺杂的SnO2外延薄膜，研究了掺杂浓度对SnO2结构的影响和对薄膜电学性质的调控规律;第三部分，采用PLD和后退火工艺，选用MgO单晶基片，成功制备出了异质外延的Zn2SnO4单晶薄膜，研究了所得样品的外延关系、微观结构和光学性质，在此研究基础上，制备了Ta掺杂的Zn2SnO4薄膜，研究了掺杂浓度对薄膜的结构、形貌和光学性质的影响，并制备了基于该薄膜的紫外光探测器，对器件性能进行了研究。
本论文主要研究内容:
1.采用MOCVD工艺，选用MgF2(001)和MgF2(110)衬底制备了SnO2外延单晶薄膜。
(1)在MgF2(001)衬底上采用不同衬底温度(540～660℃)沉积了SnO2薄膜。所制备薄膜的化学组分接近SnO2理想化学配比，且均为沿[110]取向生长的金红石相SnO2。其中，620℃制备的SnO2薄膜具有最佳的结晶质量，为外延单晶薄膜，与衬底的面外生长关系为SnO2(110)∥MgF2(001)，薄膜具有二重畴结构，存在SnO2[001]∥MgF2[110]和SnO2[001]∥MgF2[(1)10]两种等几率的面内外延关系。620℃制备的SnO2薄膜具有最高的载流子霍尔迁移率10.4cm2·V-1·s-1，相应的电阻率为0.75Ω·cm，载流子浓度为8.1×1017cm-3。不同衬底温度下所制备的SnO2薄膜在可见光范围内的平均透过率均超过了86％，光学带隙范围在3.93～4.05eV。
(2)在MgF2(110)衬底上不同衬底温度(580～700℃)下制备了SnO2薄膜。XRD测试结果表明所制备的薄膜为金红石结构，均沿SnO2[110]单一取向生长。其中，衬底温度为660℃时，SnO2薄膜结晶质量最好，为单晶外延薄膜，与衬底的面外和面内外延关系分别为SnO2(110)∥MgF2(110)和SnO2[001]∥MgF2[001]。XPS测试结果表明660℃制备的薄膜元素组分符合SnO2的化学配比。660℃制备的SnO2薄膜的载流子霍尔迁移率最高，为21.0cm2·V-1·s-1，相应的电阻率为0.76Ω·cm，载流子浓度为3.9×1017cm-3，该薄膜在可见光区的平均透过率超过93％，光学带隙为3.89eV。
2.采用MOCVD工艺，在MgF2(110)衬底上分别制备了Nb和Ta掺杂的SnO2外延薄膜，在a-Al2O3(012)衬底上制备了Ta掺杂的SnO2外延薄膜。
(1)在MgF2(110)衬底上制备了不同Nb掺杂浓度(0～8.4at.％)的SnO2薄膜。所制备的薄膜均为金红石相SnO2，且沿[110]单一取向生长，与衬底的面外和面内外延关系分别为SnO2(110)∥MgF2(110)和SnO2[001]∥MgF2[001]。XPS测试结果表明Nb元素在SnO2薄膜中主要以五价态形式存在。当Nb掺杂浓度从0增加到8.4at.％时，薄膜载流子浓度单调增加，范围为3.9×1017～3.3×1019cm-3，载流子霍尔迁移率则呈现先增大而后减小的变化规律，薄膜的电阻率先快速减小而后略有增大，调控范围超过两个数量级。4.3at.％Nb掺杂的SnO2薄膜具有最低电阻率2.9×10-3Ω·cm和最高霍尔迁移率84.0cm2·V-1·s-1，薄膜的光学带隙为4.04eV。不同Nb掺杂浓度的SnO2薄膜在可见光区的平均透过率均超过80％。
(2)在MgF2(110)衬底上制备了不同Ta掺杂浓度(0～8.0at.％)的SnO2薄膜。化学组分测试结果表明Ta掺杂后主要以五价形式存在于SnO2薄膜中，所制备薄膜的实际Ta掺杂比例和实验设定值基本吻合。XRD和截面TEM结果分析表明，所制备的Ta掺杂SnO2薄膜为外延薄膜，薄膜与衬底的面外和面内外延关系分别为SnO2(110)∥MgF2(110)和SnO2[001]∥MgF2[001]。随着Ta掺杂浓度从0增加至8.0at.％，薄膜载流子浓度从3.9×1017cm-3单调增加至3.9×1020cm-3，而后基本保持不变;载流子霍尔迁移率先增大后减小，5.0at.％Ta掺杂SnO2薄膜具有最高迁移率74.2cm2·V-1·s-1;薄膜电阻率先减小后略有增大，6.0at.％Ta掺杂浓度时最低，约为2.5×10-4Ω·cm，比未掺杂的SnO2薄膜低三个数量级以上。所制备的薄膜在可见光区的平均透过率均超过87％，光学带隙范围为3.89～4.32eV。薄膜的PL谱显示了覆盖从蓝光至黄光波长范围的缺陷发光带。
(3)在a-Al2O3(012)衬底上制备了不同Ta掺杂浓度(0～8.0at.％)的SnO2薄膜。所制备的薄膜均为沿[101]单一取向生长的金红石结构SnO2外延薄膜，薄膜与衬底的面外和面内外延关系分别为SnO2(101)∥Al2O3(012)和SnO2[010]∥Al2O3[1(2)10]。薄膜电阻率随着Ta掺杂浓度增加先减小后略微增大，Ta掺杂浓度为6.0at.％时，薄膜的电阻率具有最小值4.0×10-4Ω·cm，相比未掺杂的SnO2薄膜降低了超过三个数量级;薄膜的霍尔迁移率在4.0at.％Ta掺杂浓度时具有最大值58.1cm2·V-1·s-1。所制备的薄膜在可见光区的平均透过率均超过88％，光学带隙范围为3.96～4.30eV。
3.采用PLD和后退火工艺，在MgO(110)和MgO(100)衬底上制备出反尖晶石相Zn2SnO4薄膜，其中在MgO(100)衬底上成功制备出了异质外延的Zn2SnO4单晶薄膜。在此基础上，制备了MgO(100)衬底Ta掺杂的Zn2SnO4薄膜和基于该薄膜的紫外光探测器，研究了薄膜性质和器件的相关性能。
(1)在MgO(110)衬底上制备了Zn2SnO4薄膜，并在空气环境中进行了不同温度(700～900℃)退火处理。未退火的Zn2SnO4薄膜为非晶结构，经700和800℃退火的薄膜为存在多个生长取向的多晶Zn2SnO4薄膜，经900℃退火的薄膜为沿[110]单一取向生长的立方相反尖晶石Zn2SnO4多晶薄膜。未退火及经700、800和900℃退火的薄膜的光学带隙分别为3.32、3.80、3.98和4.09eV，所有薄膜在可见光区的平均透过率均在93％以上。
(2)在MgO(100)衬底上沉积了Zn2SnO4薄膜，并在空气环境中不同温度(700～900℃)下进行了退火。未退火和经700℃退火的Zn2SnO4薄膜为非晶结构，800和900℃退火的薄膜为沿[100]单一取向生长的立方相反尖晶石结构Zn2SnO4单晶薄膜。其中，800℃退火的Zn2SnO4薄膜结晶质量更好，薄膜与衬底的面外和面内外延关系分别为Zn2SnO4(100)∥MgO(100)和Zn2SnO4[001]∥MgO[001]。薄膜表面均方根粗糙度随退火温度升高而增大，变化范围为0.70～1.49nm。薄膜的Zn和Sn的原子比接近Zn2SnO4的化学配比。未退火及经700、800和900℃退火的样品在可见光区的平均透过率分别为81.8％、81.9％、82.8％和82.5％，光学带隙分别为3.29、3.48、3.97和4.11eV。800℃退火后所获得的单晶Zn2SnO4薄膜在600nm波长处的折射率约为1.80。
(3)在MgO(100)衬底上制备了不同Ta掺杂浓度(0～5.0at.％)的Zn2SnO4薄膜，在空气环境中800℃下进行了退火，并制备了基于该薄膜的MSM型紫外探测器。Ta掺杂后Zn2SnO4薄膜保持原有的[100]单一取向生长，结晶质量随着掺杂浓度的增加而逐渐下降。Ta掺杂降低了Zn2SnO4薄膜表面粗糙度，RMS范围为1.51～1.86nm。所制备的不同Ta掺杂浓度的Zn2SnO4薄膜在可见光区的平均透过率均超过95％，光学带隙在3.98～4.10eV之间。基于3.0at.％Ta掺杂Zn2SnO4薄膜制备的紫外探测器响应度最高，探测波长范围集中在200～280nm，5V偏压下对254nm紫外光的响应度为23.3A/W，光暗电流比超过104量级，探测上升和下降时间分别为0.73和0.58s，均小于基于未掺杂Zn2SnO4薄膜制备的紫外探测器的探测时间，并表现出良好的探测可重复性。
本论文主要研究内容:
1.采用MOCVD工艺，选用MgF2(001)和MgF2(110)衬底制备了SnO2外延单晶薄膜。
(1)在MgF2(001)衬底上采用不同衬底温度(540～660℃)沉积了SnO2薄膜。所制备薄膜的化学组分接近SnO2理想化学配比，且均为沿[110]取向生长的金红石相SnO2。其中，620℃制备的SnO2薄膜具有最佳的结晶质量，为外延单晶薄膜，与衬底的面外生长关系为SnO2(110)∥MgF2(001)，薄膜具有二重畴结构，存在SnO2[001]∥MgF2[110]和SnO2[001]∥MgF2[(1)10]两种等几率的面内外延关系。620℃制备的SnO2薄膜具有最高的载流子霍尔迁移率10.4cm2·V-1·s-1，相应的电阻率为0.75Ω·cm，载流子浓度为8.1×1017cm-3。不同衬底温度下所制备的SnO2薄膜在可见光范围内的平均透过率均超过了86％，光学带隙范围在3.93～4.05eV。
(2)在MgF2(110)衬底上不同衬底温度(580～700℃)下制备了SnO2薄膜。XRD测试结果表明所制备的薄膜为金红石结构，均沿SnO2[110]单一取向生长。其中，衬底温度为660℃时，SnO2薄膜结晶质量最好，为单晶外延薄膜，与衬底的面外和面内外延关系分别为SnO2(110)∥MgF2(110)和SnO2[001]∥MgF2[001]。XPS测试结果表明660℃制备的薄膜元素组分符合SnO2的化学配比。660℃制备的SnO2薄膜的载流子霍尔迁移率最高，为21.0cm2·V-1·s-1，相应的电阻率为0.76Ω·cm，载流子浓度为3.9×1017cm-3，该薄膜在可见光区的平均透过率超过93％，光学带隙为3.89eV。
2.采用MOCVD工艺，在MgF2(110)衬底上分别制备了Nb和Ta掺杂的SnO2外延薄膜，在a-Al2O3(012)衬底上制备了Ta掺杂的SnO2外延薄膜。
(1)在MgF2(110)衬底上制备了不同Nb掺杂浓度(0～8.4at.％)的SnO2薄膜。所制备的薄膜均为金红石相SnO2，且沿[110]单一取向生长，与衬底的面外和面内外延关系分别为SnO2(110)∥MgF2(110)和SnO2[001]∥MgF2[001]。XPS测试结果表明Nb元素在SnO2薄膜中主要以五价态形式存在。当Nb掺杂浓度从0增加到8.4at.％时，薄膜载流子浓度单调增加，范围为3.9×1017～3.3×1019cm-3，载流子霍尔迁移率则呈现先增大而后减小的变化规律，薄膜的电阻率先快速减小而后略有增大，调控范围超过两个数量级。4.3at.％Nb掺杂的SnO2薄膜具有最低电阻率2.9×10-3Ω·cm和最高霍尔迁移率84.0cm2·V-1·s-1，薄膜的光学带隙为4.04eV。不同Nb掺杂浓度的SnO2薄膜在可见光区的平均透过率均超过80％。
(2)在MgF2(110)衬底上制备了不同Ta掺杂浓度(0～8.0at.％)的SnO2薄膜。化学组分测试结果表明Ta掺杂后主要以五价形式存在于SnO2薄膜中，所制备薄膜的实际Ta掺杂比例和实验设定值基本吻合。XRD和截面TEM结果分析表明，所制备的Ta掺杂SnO2薄膜为外延薄膜，薄膜与衬底的面外和面内外延关系分别为SnO2(110)∥MgF2(110)和SnO2[001]∥MgF2[001]。随着Ta掺杂浓度从0增加至8.0at.％，薄膜载流子浓度从3.9×1017cm-3单调增加至3.9×1020cm-3，而后基本保持不变;载流子霍尔迁移率先增大后减小，5.0at.％Ta掺杂SnO2薄膜具有最高迁移率74.2cm2·V-1·s-1;薄膜电阻率先减小后略有增大，6.0at.％Ta掺杂浓度时最低，约为2.5×10-4Ω·cm，比未掺杂的SnO2薄膜低三个数量级以上。所制备的薄膜在可见光区的平均透过率均超过87％，光学带隙范围为3.89～4.32eV。薄膜的PL谱显示了覆盖从蓝光至黄光波长范围的缺陷发光带。
(3)在a-Al2O3(012)衬底上制备了不同Ta掺杂浓度(0～8.0at.％)的SnO2薄膜。所制备的薄膜均为沿[101]单一取向生长的金红石结构SnO2外延薄膜，薄膜与衬底的面外和面内外延关系分别为SnO2(101)∥Al2O3(012)和SnO2[010]∥Al2O3[1(2)10]。薄膜电阻率随着Ta掺杂浓度增加先减小后略微增大，Ta掺杂浓度为6.0at.％时，薄膜的电阻率具有最小值4.0×10-4Ω·cm，相比未掺杂的SnO2薄膜降低了超过三个数量级;薄膜的霍尔迁移率在4.0at.％Ta掺杂浓度时具有最大值58.1cm2·V-1·s-1。所制备的薄膜在可见光区的平均透过率均超过88％，光学带隙范围为3.96～4.30eV。
3.采用PLD和后退火工艺，在MgO(110)和MgO(100)衬底上制备出反尖晶石相Zn2SnO4薄膜，其中在MgO(100)衬底上成功制备出了异质外延的Zn2SnO4单晶薄膜。在此基础上，制备了MgO(100)衬底Ta掺杂的Zn2SnO4薄膜和基于该薄膜的紫外光探测器，研究了薄膜性质和器件的相关性能。
(1)在MgO(110)衬底上制备了Zn2SnO4薄膜，并在空气环境中进行了不同温度(700～900℃)退火处理。未退火的Zn2SnO4薄膜为非晶结构，经700和800℃退火的薄膜为存在多个生长取向的多晶Zn2SnO4薄膜，经900℃退火的薄膜为沿[110]单一取向生长的立方相反尖晶石Zn2SnO4多晶薄膜。未退火及经700、800和900℃退火的薄膜的光学带隙分别为3.32、3.80、3.98和4.09eV，所有薄膜在可见光区的平均透过率均在93％以上。
(2)在MgO(100)衬底上沉积了Zn2SnO4薄膜，并在空气环境中不同温度(700～900℃)下进行了退火。未退火和经700℃退火的Zn2SnO4薄膜为非晶结构，800和900℃退火的薄膜为沿[100]单一取向生长的立方相反尖晶石结构Zn2SnO4单晶薄膜。其中，800℃退火的Zn2SnO4薄膜结晶质量更好，薄膜与衬底的面外和面内外延关系分别为Zn2SnO4(100)∥MgO(100)和Zn2SnO4[001]∥MgO[001]。薄膜表面均方根粗糙度随退火温度升高而增大，变化范围为0.70～1.49nm。薄膜的Zn和Sn的原子比接近Zn2SnO4的化学配比。未退火及经700、800和900℃退火的样品在可见光区的平均透过率分别为81.8％、81.9％、82.8％和82.5％，光学带隙分别为3.29、3.48、3.97和4.11eV。800℃退火后所获得的单晶Zn2SnO4薄膜在600nm波长处的折射率约为1.80。
(3)在MgO(100)衬底上制备了不同Ta掺杂浓度(0～5.0at.％)的Zn2SnO4薄膜，在空气环境中800℃下进行了退火，并制备了基于该薄膜的MSM型紫外探测器。Ta掺杂后Zn2SnO4薄膜保持原有的[100]单一取向生长，结晶质量随着掺杂浓度的增加而逐渐下降。Ta掺杂降低了Zn2SnO4薄膜表面粗糙度，RMS范围为1.51～1.86nm。所制备的不同Ta掺杂浓度的Zn2SnO4薄膜在可见光区的平均透过率均超过95％，光学带隙在3.98～4.10eV之间。基于3.0at.％Ta掺杂Zn2SnO4薄膜制备的紫外探测器响应度最高，探测波长范围集中在200～280nm，5V偏压下对254nm紫外光的响应度为23.3A/W，光暗电流比超过104量级，探测上升和下降时间分别为0.73和0.58s，均小于基于未掺杂Zn2SnO4薄膜制备的紫外探测器的探测时间，并表现出良好的探测可重复性。