论文部分内容阅读
随着科技的进步,半导体材料的发展经历了第一代以锗、硅为代表的元素半导体,第二代以GaAs、InP为代表的化合物半导体,现在人们越来越关注第三代半导体。第三代半导体材料,即宽带隙半导体材料,在高温、高频大功率器件和短波长光电子器件方面具有前两代半导体所不能比拟的潜力,是目前世界半导体材料和器件研究领域中的热点。在电子器件方面,对SiC和GaN的研究较为成熟,在发光器件方面,对Ⅲ族氮化物和ZnO基化合物的研究较多。现在,SnO2受到越来越多的关注。SnO2是一种直接带隙宽禁带半导体材料,跟其他材料相比,SnO2有显著的优点。一是禁带宽度大、激子束缚能高,在室温下分别是3.6eV和130meV;二是制备温度低、化学稳定性好。因此,SnO2是一种优良的短波长发光材料候选者。作为一种优良的功能性材料,SnO2薄膜在透明导电氧化物（TCO）薄膜和化学气敏传感器等领域得到广泛的应用,但在发光器件方面未见报道。一个原因是通过普通方法（如磁控溅射、CVD、喷涂等）制备的SnO2薄膜晶体质量不高,含有较多缺陷,发光特性差,不适于制作半导体发光器件。另一个原因是SnO2的p型化遇到了困难,虽然已有p型SnO2的报道,但是其薄膜质量不高,电学性质不理想,仍然不适于制作发光器件。令人高兴的是近两年在高质量SnO2的制备方面取得了一定成果,已经制备出单晶SnO2薄膜和单晶In掺杂SnO2薄膜,在室温下观测到电子由导带到价带跃迁引起的紫外发光峰,但是作者没有报道掺杂物质对SnO2薄膜电学性质的影响。在这样的背景下,本论文研究了MOCVD方法制备掺杂SnO2薄膜及其特性。本论文的研究工作及结果如下:1.采用MOCVD方法,以高纯（C2H5）4Sn作为锡源,高纯（C2H5）2Zn作为锌源,高纯O2作为氧化剂,高纯N2作为载气,分别在蓝宝石（0001）、硅（111）和石英衬底上制备了1%（原子比）Zn掺杂SnO2薄膜（SnO2:Zn薄膜）。XRD图谱显示,在硅（111）和石英衬底上制备的SnO2:Zn薄膜,出现了（110）、（211）、（220）和（321）多个衍射峰,为SnO2四方金红石结构的多晶薄膜;在蓝宝石（0001）衬底上制备的薄膜只出现（200）一个衍射峰,具有沿a轴的择优取向性。测试结果表明在蓝宝石（0001）衬底上制备的薄膜具有良好的薄膜质量。2.采用MOCVD方法,在蓝宝石（0001）衬底上制备了1-10%掺杂SnO2:Zn薄膜。制备的薄膜均为SnO2四方金红石结构和沿a轴择优生长取向。样品的光学透射谱表明,薄膜在可见光范围内的透过率大于80%。根据吸收系数-光子能量的关系曲线计算得到薄膜的光学带隙范围是3.54eV-3.56eV。根据薄膜透射谱的干涉条纹计算出薄膜厚度为1-1.4μm,计算了不同掺杂浓度薄膜的折射率和波长的关系。通过X射线光电子能谱（XPS）测试分析了薄膜的成分。用四探针法和范德堡法测试了薄膜的电学性质并对其进行了分析。分析了空气中退火对薄膜结构性质和光学性质的影响。3.采用MOCVD方法,在蓝宝石（0001）衬底上制备了未掺杂SnO2薄膜和1-12%掺杂SnO2:In薄膜。XRD测试表明所有薄膜为SnO2四方金红石结构和沿a轴择优生长取向。扫描电镜（SEM）和高分辨透射电镜（HRTEM）图表明所制备的薄膜为单晶薄膜。XPS测试表明,3%掺杂SnO2:In薄膜的表面存在非理想化学比氧化物,薄膜表面的In、Sn原子比为3.16:97。薄膜在可见光区的透过率大于88%,光学带隙随着掺杂浓度的增大而减小。用四探针法和范德堡法测试了薄膜的电学性质并对其进行了分析。