p型銅鐵礦結(jié)構(gòu)透明氧化物半導(dǎo)體的制備與性能研究.pdf

1、透明氧化物半導(dǎo)體(TOS)是一種在可見光區(qū)域具有良好透過率與導(dǎo)電性的材料，根據(jù)導(dǎo)電類型可將其劃分為n型和p型兩類。目前，n型TOS已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而p型TOS相對缺乏。本文立足于p型TOS的廣泛應(yīng)用前景，基于價帶化學(xué)修飾理論，以具有銅鐵礦結(jié)構(gòu)的層狀化合物(CuAlO2，CuCrO2，CuNdO2和AgAlO2)為研究對象，通過摻雜改性的手段來提高該類材料的空穴導(dǎo)電性能。在提高空穴導(dǎo)電性及探索新型p型TOS方面已經(jīng)取得一定進展，歸納起來

2、可概括為以下幾部分。 1.采用磁控濺射在石英襯底上成功制備了受主摻雜的CuAl1-xCuxO2薄膜和同價態(tài)摻雜的CuAl1-xFexO2薄膜，薄膜的電導(dǎo)率在摻雜后均得到明顯提升。厚度為300nm左右的薄膜對可見光的透過率分別介于60～80％和60～70％之間，其直接帶隙分別由摻雜前的3.30eV增加到摻雜后的3.73eV和3.67eV，帶隙寬度的增加可能與摻雜產(chǎn)生空穴載流子造成的Burstein-Moss效應(yīng)有關(guān)。從光學(xué)帶隙擬合

3、圖譜中發(fā)現(xiàn)，摻雜后的樣品均出現(xiàn)一新吸收邊，與摻雜在帶隙中形成的雜質(zhì)能級有關(guān)。薄膜樣品的最高室溫電導(dǎo)率分別為0.0122 S cm-1和0.0110 Scm-1，在近室溫區(qū)所有薄膜的電導(dǎo)率隨溫度變化均遵從Arrhenius規(guī)律，揭示了薄膜的導(dǎo)電符合半導(dǎo)體熱激活機制。 2.CuCrO2是銅鐵礦體系中電導(dǎo)率最高的一種，但可見光透過率很低，利用磁控濺射方法，通過調(diào)節(jié)退火溫度與襯底溫度成功制備了透過率與導(dǎo)電性良好的CuCrO2薄膜。薄膜透

4、過率隨退火溫度升高而增大，最高為70％；電導(dǎo)率則隨退火溫度升高而降低，從退火前的0.079 S cm-1降低到0.005 S cm-1。掃描電子顯微照片顯示，退火后薄膜表面開裂是導(dǎo)致電學(xué)性能下降的主要原因。提高襯底溫度后，薄膜的電學(xué)性能與光學(xué)性能均得到提升，最高電導(dǎo)率為0.33 Scm-1，平均透過率為50％左右。 3.針對N元素在p型TOS薄膜中起到的受主雜質(zhì)作用，采用半導(dǎo)體摻雜技術(shù)成功實現(xiàn)了對CuCrO2薄膜的受主N摻雜。以

5、N2O為N源，按不同流量比混入濺射氣體中制備N摻雜CuCrO2薄膜。XPS檢測發(fā)現(xiàn)CuCrO2薄膜中Cu與Cr的原子比符合化學(xué)計量比，當(dāng)N2O流量比為30％的時候，薄膜中的N原子含量基本飽和，達到CuCrO2化學(xué)計量比中O原子的18.4 at.％左右。N摻雜CuCrO2薄膜的最高電導(dǎo)率為17.85 S cm-1，最大載流子濃度為1.38×1020 cm-3，均比未摻雜的薄膜提高兩個數(shù)量級，正的Hall系數(shù)和Seebeck系數(shù)表明所有薄膜

6、均為p型導(dǎo)電。摻雜CuCrO2薄膜的光學(xué)透明度基本沒發(fā)生變化，在可見光范圍內(nèi)平均透過率介于50～60％之間。 4.鑒于目前p型TOS的研究現(xiàn)狀，尋找一種新型的p型TOS尤為重要，利用高溫固相反應(yīng)法和陽離子置換反應(yīng)法成功合成了具有銅鐵礦結(jié)構(gòu)的CuNdO2和AgAlO2粉體。采用UV-Vis分光光度計研究了材料的吸收光譜，從吸收光譜估算出這兩種材料的光學(xué)帶隙寬度分別為3.14eV和3.10eV，由此可見這兩種材料也是理想的TOS候選