p型透明導(dǎo)電氧化物CuAlO-,2-薄膜的制備與性能研究.pdf

1、基于價(jià)帶化學(xué)修飾 (CMVB) 理論首先被發(fā)現(xiàn)的Cu<'+>基p型透明導(dǎo)電氧化物CuAl02薄膜具有獨(dú)特的光電特性，它的成功開(kāi)發(fā)為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)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(dòng)了傳統(tǒng)意義上透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜到透明氧化物半導(dǎo)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(gè)難題，到目前為止已經(jīng)有許多方法被用來(lái)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(duì)目前國(guó)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(diǎn)特別是在工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中所具有的優(yōu)勢(shì)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(jìn)展，歸納起來(lái)可以概括為以下幾部分。 1．通過(guò)對(duì)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(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率

3、介于60％～70％之三間，計(jì)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(dǎo)率隨溫度變化遵從Arrhenius規(guī)律，揭示了薄膜導(dǎo)電符合半導(dǎo)體熱激活機(jī)制。 2．利用CuAlO<,2>強(qiáng)烈的各向異性電導(dǎo)率(σ<'ab>＞σ<,c>)特性，對(duì)CuAlO<,2>薄膜樣品進(jìn)行退火處理(氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)900℃退火5h)成功獲得了沿(0

4、01)晶面優(yōu)先取向生長(zhǎng)薄膜，實(shí)現(xiàn)了電阻率三個(gè)數(shù)量級(jí)的降低。退火CuAlO<,2>薄膜對(duì)可見(jiàn)光透過(guò)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(gè)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(duì)應(yīng)布里淵區(qū)不同點(diǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)。優(yōu)先取向生長(zhǎng)CuAlO<,2>薄膜在近室溫區(qū)(>190K)符合熱激活導(dǎo)電機(jī)制，低溫區(qū)(<185K)以二維變程跳躍導(dǎo)電模型為主。 3．鑒于富余氧原子在CuAlO<,2>薄膜導(dǎo)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(dǎo)電環(huán)境的同時(shí)，對(duì)CuAlO<,2>薄膜的結(jié)構(gòu)也造成了一定程度的影響。通過(guò)使用XRD、Raman和AFM等手段詳細(xì)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(fù)熱膨脹行為而造成較大的內(nèi)應(yīng)力，薄膜在釋放內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)導(dǎo)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(shí)致使薄膜成為非晶態(tài)。 4．實(shí)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(cè)量Ⅰ-Ⅴ特性均顯示線形變化的基礎(chǔ)上，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)p-CuAlO<,2>/n-Si異質(zhì)結(jié)具有較好的整流特性，開(kāi)啟電壓為0.5V左右。由于Si的載流子濃度高出CuAlO<,2> 3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，按照p-n<'+>單邊突變結(jié)理論對(duì)該異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了計(jì)算擬合，發(fā)現(xiàn)界面態(tài)效應(yīng)和串聯(lián)電阻效應(yīng)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(dǎo)體摻雜技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)發(fā)現(xiàn)CuAlO<,2>薄膜中Cu、Al原子比符合化學(xué)計(jì)量比，當(dāng)N<,2>O流量比為15％R寸，薄膜中的N原子含量基本飽和，達(dá)到CuAlO<,2>化學(xué)計(jì)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>