P型透明导电氧化物CuAlO2薄膜的制备与物性研究

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在化学价带修饰(CMVB)理论的基础上,Kawazoe等人通过脉冲激光沉积(PLD)技术首次制备了p型透明导电CuAlO2薄膜,找到了一种新的制备p型透明导电材料的方法,使得制备透明p-n结以及透明晶体管成为可能。但是光、电性能同时都好的CuAlO2薄膜很难获得。如今有许多镀膜方法被用来制备该薄膜,然而不同的方法得到的薄膜在性能上存在很大的差异。本论文拟采用脉冲激光沉积技术制备CuAlO2薄膜,重点研究高氧压退火对薄膜结构与性能的改善,在此基础上对退火氧压以及退火温度对薄膜结构以及光、电性能的影响进行了探讨。本论文首先以分析纯Al2O3和α-Cu2O为原料,通过高温固相法制备了高质量的CuAlO2陶瓷靶材,并对陶瓷靶材的结构与形貌进行了表征。然后通过脉冲激光沉积技术生长了薄膜,由于生长温度比较低,薄膜处于非晶态,薄膜电学性能比较差,暂且将此薄膜称为Cu-Al-O薄膜。将薄膜在空气中1100°C退火后薄膜结晶质量变好,其电学性能也得到很大改善,测得薄膜室温电导率σRT=1.7S·m-1,但退火后薄膜的透过率明显降低,500nm可见光透过率从退火前的68.27%下降为48.93%。而且在1100°C高温退火重复性比较差,在空气中低温退火达不到薄膜的结晶温度,生不成CuAlO2的相,薄膜不导电。将Al2O3衬底相同温度,不同氧分压(2.8Pa、11Pa、51Pa)下生长的薄膜在高氧压炉中800°C退火,就出现了CuAlO2的相,这是由于高压条件能够使薄膜结晶温度降低。退火后薄膜在长波长范围透过率明显增加,短波长范围薄膜透过率降低,但对于可见光(350nm770nm)范围薄膜平均透过率变化不大。51Pa生长的薄膜退火后透过率最好。通过台阶仪对退火后薄膜的厚度进行了测量,发现2.8Pa、11Pa、51Pa生长的薄膜厚度分别为221nm、253nm、107nm。由薄膜的电流密度-电场强度(J-E)曲线可以计算得到氧分压2.8Pa、11Pa、51Pa下生长的薄膜退火后薄膜的室温电导率分别为2.5S·m-1、4.3S·m-1、0.12S·m-1。将SiO2衬底真空条件生长的薄膜,在高氧压炉中800°C不同氧压退火(1.7MPa、4.2MPa、4.5MPa),发现随着退火氧压的增加薄膜电导率先增加后降低,当氧压为1.7MPa时,薄膜电导率最大,为1.24S·m-1。将薄膜在高氧压炉中退火能够提高薄膜中的氧含量,氧过量能够增加空穴浓度提高薄膜电导率,但电导率与载流子浓度和载流子迁移率的乘积成正比,氧过量在增加空穴浓度的同时也会引入更多的缺陷降低载流子迁移率从而降低薄膜的电导率。在高氧压炉中氧压1.7MPa左右,不同温度(600°C、700°C、800°C)退火,结果发现随着退火温度的增加薄膜电导率也是先增加后降低,700°C退火时薄膜电导率最大,为2.28S·m-1,但是700°C退火薄膜的透过率比较低。综合光、电性能一起考虑,可以看出800°C氧压1.7MPa是最好的退火条件。在低阻n型Si衬底上直接生长p-CuAlO2薄膜得到了p-CuAlO2/n-Si异质结,测得Ag/Si/Ag表面以及Ag/CuAlO2/Ag表面I-V曲线为线性关系,因此可以忽略肖特基势垒的影响,室温下测得该异质结I-V曲线表现出很好的整流特性,开启电压为0.87V左右。
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