氧化錫及其銻摻雜薄膜的制備、結(jié)構(gòu)和光致發(fā)光性質(zhì)研究.pdf

1、半導(dǎo)體發(fā)光器件在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。髓著GaN、ZnSe等寬帶隙半導(dǎo)體藍(lán)光發(fā)光器件的研制成功，寬帶隙半導(dǎo)體發(fā)光材料越來(lái)越受到人們的重視。氧化錫(SnO<,2>)是一種具有直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，其室溫禁帶寬度約為3.62eV。與其它寬帶隙半導(dǎo)體材料相比，SnO<,2>具有更寬的帶隙和更高的激子束縛能(室溫下為130meV)，并且具有制備溫度較低、理化性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)：SnO<,2>是一種新的具有紫外-紫光及藍(lán)光發(fā)光特性的半導(dǎo)體材

2、料，要獲得具有穩(wěn)定發(fā)光特性的SnO<,2>薄膜，就需要對(duì)SnO<,2>的室溫光致發(fā)光特性及其發(fā)光機(jī)理進(jìn)行深入的研究。 SnO<,2>晶體具有四方金紅石結(jié)構(gòu)，其薄膜晶粒一般具有一定的擇優(yōu)取向。本征SnO<,2>晶體因氧缺位的關(guān)系而呈現(xiàn)n型半導(dǎo)體的特性，氧空位在禁帶中形成的兩個(gè)施主能級(jí)距導(dǎo)帶底分別為0.03eV、O.15eV。SnO<,2>的光學(xué)帶隙約為3.87～4.3eV，這使SnO<,2>薄膜在可見(jiàn)光區(qū)域具有較高的透過(guò)率；導(dǎo)電性

3、能優(yōu)良的SnO<,2>薄膜，因其高載流子濃度，使得其在中紅外及遠(yuǎn)紅外區(qū)域(等離子邊約為3.2μm)有很強(qiáng)的反射率。 當(dāng)前對(duì)SnO<,2>材料的光致發(fā)光性質(zhì)的研究不多，主要集中在低溫發(fā)光性質(zhì)及納米材料的發(fā)光性質(zhì)上，其發(fā)光機(jī)理目前尚不清楚；目前也尚未見(jiàn)其他人有關(guān)于SnO<,2>及其摻雜薄膜的室溫光致發(fā)光性質(zhì)的研究。 本文分別利用常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD)方法以及射頻磁控濺射方法制備了SnO<,2>薄膜及其摻銻(Sb)薄膜

4、(SnO<,2>：sb)。對(duì)制備后的樣品在不同條件下進(jìn)行了退火處理。對(duì)樣品分別進(jìn)行了x射線衍射譜(XRD)、x射線光電子能譜(XPS)、原子力顯微鏡(AFM)以及電阻率、透射譜、光致發(fā)光譜的測(cè)量。 在本文中,采用APCVD方法制備了SnO<,2>薄膜。通過(guò)對(duì)snO<,2> 薄膜的室溫(300K)光致發(fā)光譜(PL)測(cè)量，首次發(fā)現(xiàn)Sno<,2>薄膜在紫外→紫光區(qū)域(396nm)存在較強(qiáng)的光致發(fā)射峰；在藍(lán)光區(qū)域(430nm，530nm

5、)．也存在光致發(fā)光光峰。樣品_的x射線衍射譜(xRD)測(cè)量表明，利用APCVD方法制備的SnO<,2>薄膜為具有四方金紅石結(jié)構(gòu)的多晶薄膜；薄膜具有(211)方向的擇優(yōu)取向，并且隨著退火溫度的升高而增強(qiáng)；薄膜的晶粒尺寸也隨退火溫度的升高而增大。樣品的X射線光電子能譜(XPS)測(cè)量表明，樣品內(nèi)存在氧空位，其數(shù)量在退火后有所減少。樣品的光學(xué)性質(zhì)測(cè)量表明，SnO<,2>薄膜的光學(xué)帶隙約為3.82eV，在空氣中550℃退火后光學(xué)帶隙有所減少。薄膜

6、的電阻率約為1.12×10<'-3>Ωcm,載流1子濃度約為3.56×10<'20>cm<'-3>，退火后的電阻率增大為2.3×10<'-1>Ωcm。 在薄膜的室溫(300K)光致發(fā)光譜中，發(fā)現(xiàn)396nm附近存在較強(qiáng)的光致發(fā)射峰，在430nm及530nm附近存在較寬的光致發(fā)射峰。經(jīng)過(guò)550℃高溫退火后，位于396nm處的發(fā)光峰強(qiáng)度有所減弱；結(jié)合SnO<,2>晶體的能帶結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì)，該發(fā)光峰的起源被歸結(jié)為電子由氧空位引起的

7、施主能級(jí)到SnO及晶格缺陷產(chǎn)生的受主態(tài)之間的躍遷。位于430nm及530nm附近的藍(lán)光發(fā)射峰經(jīng)退火后，減弱程度較??；其起源被歸結(jié)為因氧空位形成的Sn<'2+>離子作為局域發(fā)光中心，電子由其5s5p能級(jí)向5S<'2>能級(jí)的躍遷所致。 在本文中，為了研究摻雜離子對(duì)SnO<,2>光致發(fā)光性質(zhì)的影響，采用射頻磁控濺射方法分別制備了摻雜比例為2wt％、4wt％、6wt％的銻摻雜氧化錫薄膜(SnO<,2>∶Sb)。樣品的XRD譜及原子力顯微

8、鏡(AFM)測(cè)量表明，SnO<,2>∶Sb薄膜同樣為具有四方金紅石結(jié)構(gòu)的多晶薄膜，在薄膜內(nèi)未發(fā)現(xiàn)Sb<,2>O<,3>晶相，說(shuō)明摻雜的Sb離子進(jìn)入SnO<,2>晶格，產(chǎn)生了替位式摻雜；SnO<,2>∶Sb薄膜的晶格常數(shù)略大于SnO<,2>晶體的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，表明摻雜的Sb離子以Sb<'3+>離子居多；與APCVD方法制備的SnO<,2>薄膜不同，磁控濺射方法制備的不同摻雜濃度的SnO<,2>∶Sb薄膜晶粒分別具有(110)及(101)方向的

9、擇優(yōu)取向。襯底材料、制備條件及摻雜比例對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)性能具有一定的影響。薄膜的晶粒尺寸隨著摻雜比例的增加而減小，但在空氣中退火后的樣品的晶粒尺寸隨著摻雜比例的增加而增大；提高制備時(shí)的濺射功率可使薄膜的晶粒變大，在一定范圍內(nèi)(0.5Pa-1.5Pa)提高氧分壓同樣可使薄膜的晶粒變大；隨著退火溫度的升高，薄漠的擇優(yōu)取向增強(qiáng)，晶粒增大，晶格常數(shù)變小，顯示結(jié)晶程度得到改善；薄膜的光學(xué)帶隙隨著摻雜比例的增加而變寬，退火后有所變小；這被歸結(jié)為高載流子

10、濃度引起的Moss-Burstein移動(dòng)。 樣品的室溫(300K)光致發(fā)光譜表明，SnO<,2>∶Sb薄膜在396nm、450nm及500nm附近同樣可產(chǎn)生光致發(fā)光峰．且強(qiáng)度大于SnO<,2>薄膜。位于396nm附近的光致發(fā)光峰的強(qiáng)度隨著摻雜比例的增加而增強(qiáng)，提高制備時(shí)的濺射功率或提高氧分壓同樣可使其強(qiáng)度增強(qiáng)；樣品在空氣中退火后該發(fā)光峰的強(qiáng)度也得到了增強(qiáng)，而在真空中退火后，其強(qiáng)度反而有所減少；上述結(jié)果表明，在SnO<,2>∶Sb

11、薄膜中，摻雜的Sb離子已經(jīng)代替氧空位成為SnO<,2>∶Sb薄膜紫外區(qū)發(fā)光的主要因素：因此，SnO<,2>∶Sb薄膜中396nm附近的紫外發(fā)光峰的起源被歸結(jié)為主要與Sb<'5+>離子和Sb<'3+>離子有關(guān)的施主-受主對(duì)(DAP)躍遷，影響躍遷的主要因素為摻雜的Sb離子，Sb離子中Sb<'5+>離子與Sb<'3+>離子的比例也對(duì)SnO<,2>∶Sb薄膜的光致發(fā)光特性產(chǎn)生影響。 SnO<,2>∶Sb薄膜中450nm及500nm附近

12、的藍(lán)光發(fā)光峰的強(qiáng)度比SnO<,2>薄膜有了很大增強(qiáng)；摻雜比例為4wt％的樣品，其藍(lán)光發(fā)光峰的強(qiáng)度要大于摻雜比例為2wt％的樣品；但在摻雜比例為6wt％時(shí)，其強(qiáng)度反而減小，這可能因?yàn)楸∧?nèi)Sb<'3+>離子濃度過(guò)大造成的濃度淬滅或晶格缺陷所引起。SnO<,2>∶Sb薄膜中藍(lán)光發(fā)光峰的起源主要被歸結(jié)為局域化的Sb<'3+>離子以及Sn<'2+>離子的5<,s>5<,p>能級(jí)到5s<'2>能級(jí)的電子躍遷。 測(cè)量溫度對(duì)樣品的光致發(fā)光特性