磁控溅射制备铜锡氧薄膜及其性质研究

来源 :山东大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xyy2017
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氧化物半导体特别是宽禁带半导体氧化物材料是重要的光电子信息材料,它在可见光区具有高的透过率,在红外区具有高的反射率,导电率接近金属的数值。优良的光电特性使透明导电膜在太阳电池、显示器等众多领域得到了广泛的应用。宽禁带半导体氧化物材料具有非常大的禁带宽度一般都大于3.1eV,能够被用来制作透明电极或者蓝光甚至紫外二极管等。目前所知的集中常见的透明导电氧化物有锡掺杂氧化铟In2O3:Sn即平常所说的ITO,SnO2:F(FTO)、SnO2:Sb(ATO)等等,目前已经有光电性能都非常优异的n型透明导电薄膜(TCO)薄膜。但是由于氧的局域化作用以及氧空位的影响,使得TCO的p型化很难实现,p型TCO的缺失限制了TCO的应用,因为pn结是大部分半导体器件的关键结构。直至1997年,Kawazoe等人制备出了p型CuAlO2透明导电薄膜,人们才对于TCO的p型化取得一定突破,从那之后出现了一批铜铁矿结构的铜系p型透明导电氧化物。SnO2是直接带隙化合物半导体,室温下禁带宽度为3.6-4.3eV。SnO2化学性质稳定,适合于做高温以及透明电子器件,但是目前关于p型SnO2的研究鲜有报道如果能够获得p型SnO2材料将对于光电器件的未来有重要影响,在这样的背景下我们开展了氧化锡p型化的研究。本论文采用磁控溅射的方法在石英衬底上制备出了铜锡氧薄膜,通过X射线衍射仪(XRD),X光电子能谱(XPS),扫描电子显微镜(SEM),电子能谱仪(EDS),范得堡方法对所制备的铜锡氧薄膜的结构及光电性质进行研究,系统分析了反应压强,退火条件,溅射衬底温度对于薄膜生长速率、结构、透过率以及电学性质的影响。XRD显示在石英衬底上制备的铜锡氧薄膜在未退火的情况下为非晶薄膜,当退火温度达到530℃以后,薄膜晶体结构发生转变,在XRD衍射图谱中出现一个明显的衍射峰,随着退火温度的升高,衍射峰的半高宽变窄,表明晶粒尺寸变大。反应压强也会影响薄膜结构,在同样退火条件下,反应压强变高,衍射峰半高宽变窄。通过SEM可以看到在退火后的薄膜表面出现单晶颗粒,结合XRD数据库卡片,这些单晶颗粒为钙钛矿结构的铜锡氧化合物,生长方向为(103)晶向。用TV1900双光束紫外—可见分光光度计研究了反应压强与退火温度对于薄膜透过率的影响。随着反应压强的升高。薄膜透过率升高,最高可见光透过率达到70%以上。退火后的薄膜透过率比未退火的薄膜透过率低,其中在630℃左右退火的薄膜透过率最低,用外推法计算得到铜锡氧薄膜禁带宽度,退火前与退火后分别为2.69eV、1.5eV。使用范得堡方法研究反应压强、衬底温度与退火温度对于薄膜电学性质的影响。在同样溅射条件下,衬底加温制备的薄膜电阻率要低与没有加衬底温度的薄膜。随着反应压强的升高薄膜电阻率变高。在630℃附近退火的铜锡氧薄膜薄膜电阻率下降。0.5Pa反应压强下制备的铜锡氧薄膜,经过630℃退火4小时后,薄膜电阻率为66.3434Ωcm,载流子浓度、霍尔迁移率分别为6.42×1016/cm3、1.467cm2/Vs,薄膜导电类型为p型。使用Alpha台阶仪测试反应压强对薄膜生长速率的影响,随着反应压强的增大薄膜生长速率先增大,再减小,在1Pa反应压强下薄膜生长速率最快约为6.832 nm/min。我们使用磁控溅射的方法在石英衬底上制备了p型铜锡氧薄膜,在测试过程中发现反应压强、溅射衬底温度、退火条件对于薄膜结构以及光电性质有显著的影响。
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