p型透明導電氧化物CuAlO-,2-薄膜的制備與性能研究.pdf

1、基于價帶化學修飾 (CMVB) 理論首先被發(fā)現(xiàn)的Cu<'+>基p型透明導電氧化物CuAl02薄膜具有獨特的光電特性，它的成功開發(fā)為實現(xiàn)半導體全透明光電器件如透明二極管、透明晶體管提供了可能性，也推動了傳統(tǒng)意義上透明導電氧化物(TCO)薄膜到透明氧化物半導體(TOS)薄膜的發(fā)展。然而，制備性能良好的CuAlO<,2>薄膜一直是一個難題，到目前為止已經(jīng)有許多方法被用來制備該薄膜，但是所制備的薄膜結(jié)構(gòu)與性能差異很大。針對目前國內(nèi)外在CuAlO

2、<,2>薄膜方面的研究現(xiàn)狀，結(jié)合濺射法所具有的眾多優(yōu)點特別是在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中所具有的優(yōu)勢地位，我們探索使用射頻磁控濺射法在石英和Si襯底上制備高質(zhì)量p型CuAlO<,2>薄膜，已經(jīng)取得了一定的工作進展，歸納起來可以概括為以下幾部分。 1．通過對濺射參數(shù)的調(diào)節(jié)成功抑制了Cu<'+>的氧化，在石英和Si襯底上沉積了以CuAlO<,2>相為主、兼有少量Cu<,2>O相的Cu-Al-O薄膜。厚度為300nm左右的薄膜對可見光的透過率

3、介于60％～70％之三間，計算擬合得到直接和間接帶隙分別為3.52eV和1.83eV左右。Cu.Al-O薄膜的最低室溫電阻率為2.2×10<'2>Ωcm，在近室溫區(qū)Cu-Al-O薄膜電導率隨溫度變化遵從Arrhenius規(guī)律，揭示了薄膜導電符合半導體熱激活機制。 2．利用CuAlO<,2>強烈的各向異性電導率(σ<'ab>＞σ<,c>)特性，對CuAlO<,2>薄膜樣品進行退火處理(氮氣氣氛保護900℃退火5h)成功獲得了沿(0

4、01)晶面優(yōu)先取向生長薄膜，實現(xiàn)了電阻率三個數(shù)量級的降低。退火CuAlO<,2>薄膜對可見光透過率在60％附近，紅外光高于80％，擬合發(fā)現(xiàn)CuAlO<,2>薄膜具有四個不同能量范圍的直接帶隙，分別是～3.00eV、～3.15eV、～3.50eV和～3.75eV，可能對應布里淵區(qū)不同點的直接躍遷。研究發(fā)現(xiàn)金屬Ag電極與退火CuAlO<,2>薄膜之間具有良好的歐姆接觸，最小接觸電阻率為0.32Ωcm<'2>。該p型薄膜具有最小電阻率37Ωc

5、m，比未退火薄膜下降了3個數(shù)量級。優(yōu)先取向生長CuAlO<,2>薄膜在近室溫區(qū)(>190K)符合熱激活導電機制，低溫區(qū)(<185K)以二維變程跳躍導電模型為主。 3．鑒于富余氧原子在CuAlO<,2>薄膜導電特性方面所起到的重要作用，不同氧分壓CuAlO<,2>薄膜被制備，發(fā)現(xiàn)富余氧原子在提供有利于薄膜p型導電環(huán)境的同時，對CuAlO<,2>薄膜的結(jié)構(gòu)也造成了一定程度的影響。通過使用XRD、Raman和AFM等手段詳細研究了不同

6、氧分壓CuAlO<,2>薄膜在經(jīng)退火處理之后的結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)變化。發(fā)現(xiàn)20％氧分壓CuAlO<,2>薄膜表現(xiàn)出了最佳的結(jié)構(gòu)特性。由于富氧原子處入CuAlO<,2>品格間隙位加劇了沿c軸方向負熱膨脹行為而造成較大的內(nèi)應力，薄膜在釋放內(nèi)應力的同時導致薄膜表面出現(xiàn)一些微觀空洞，而且隨著氧分壓的增加微觀空洞逐漸增多變大變深，最終在60％氧分壓時致使薄膜成為非晶態(tài)。 4．實現(xiàn)了n型低阻Si襯底上制備p型CuAlO<,2>薄膜而構(gòu)成的突變異質(zhì)結(jié)。在A

7、g/Si/Ag和Ag/CuAlO<,2>/Ag測量Ⅰ-Ⅴ特性均顯示線形變化的基礎(chǔ)上，檢測發(fā)現(xiàn)p-CuAlO<,2>/n-Si異質(zhì)結(jié)具有較好的整流特性，開啟電壓為0.5V左右。由于Si的載流子濃度高出CuAlO<,2> 3～4個數(shù)量級，按照p-n<'+>單邊突變結(jié)理論對該異質(zhì)結(jié)進行了計算擬合，發(fā)現(xiàn)界面態(tài)效應和串聯(lián)電阻效應是影響該異質(zhì)結(jié)整流特性的重要因素，并且擬合得到串聯(lián)電阻為13Ω。 5．鑒于N元素在p型TCO薄膜中所起到的受主雜

8、質(zhì)作用，采用半導體摻雜技術(shù)成功實現(xiàn)了對CuAlO<,2>薄膜的受主N摻雜。以N<,2>O氣體為N源，按不同流量比混入濺射氣體中制備N摻雜CuAlO<,2>薄膜。AES檢測發(fā)現(xiàn)CuAlO<,2>薄膜中Cu、Al原子比符合化學計量比，當N<,2>O流量比為15％R寸，薄膜中的N原子含量基本飽和，達到CuAlO<,2>化學計量比中O原子的5.9at.％左右。N摻雜CuAlO<,2>薄膜的最小電阻率為100Ωcm，最大載流子濃度為10<'16>