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透明导电氧化物(TCO)薄膜因为具有在可见光区透明和电阻率低的特性,被广泛的应用在各种光电器件中,如平面液晶显示器(LCD)、太阳能电池、节能视窗、半导体器件、热电/光电材料中。二氧化锡(SnO2)薄膜由于具有对紫外吸收系数大、可见光透光率高、化学性能稳定以及室温下抗酸碱能力强等优点,成为了应用最广泛的TCO薄膜之一。目前已投入应用的TCO薄膜大多为n型电子导电,p型空穴导电的TCO薄膜一直难有突破。如果能制备电学性能与n型TCO薄膜相匹配的p型导电薄膜,不仅能拓宽TCO薄膜的应用范围,还可以制备出透明pn结,成为光电子信息元器件领域的一项重大进步。
依据半导体物理理论,通过浅能级掺杂受主元素可以使氧化物薄膜实现p型导电性能。在此理论基础之上,本文总结已报道成果并改进,研究了采用磁控溅射法对不同类型的靶材进行溅射,通过掺杂浅能级元素Sb制备p型导电透明SnO2:Sb(ATO)薄膜。通过控制溅射的工艺条件和对薄膜进行退火热处理,使SnO2晶格中Sb有效替代Sn原子位置,形成受主掺杂,从而使薄膜具有p型导电性能。实验发现,采用直流反应溅射合金靶,在氧气流量小于8sccm、衬底温度在200~250℃时,能够获得具有p型导电性能的ATO薄膜;当氧流量为4sccm,衬底温度200℃时,空穴浓度最高达到4.223×1019cm-3,电导率最高达到0.3973S·cm-1。采用射频溅射法,对高纯氧化物陶瓷靶进行溅射并热处理,比直流反应溅射法更易获得结晶良好、成分均匀、结构平整的p型导电ATO薄膜,热处理温度对薄膜的导电性能至关重要。射频沉积的ATO薄膜在氩气气氛中热处理后,形成金红石结构的SnO2晶体,可见光区的平均透过率在80%以上,且均为p型导电。其中在650℃热处理4小时的ATO薄膜具有最好的p型导电性能,相较于已报道的其它p型导电薄膜,空穴载流子浓度高出1~2个数量级,达到1.722×1020cm-3,电导率达到60.61 S·cm-1。通过测试发现,热处理温度能影响受主掺杂效率和薄膜的结晶结构,进而影响薄膜的p型导电性能。
此外,基于具有优良性能的p型导电ATO薄膜,与导电性能相匹配的n型ZnO:Al;(AZO)薄膜制备的异质透明pn结,开路电压7.40V,无反向漏电电流,具有良好的整流特性。