P型透明导电氧化物CuCrO2薄膜的制备工艺优化与性能研究

摘要

CuCrO2是一种P型铜铁矿结构的半导体氧化物，具有较高的可见光透过性和导电性，其禁带宽度是3.2eV。CuCrO2薄膜可以应用于光电材料的透明电极、太阳能电池、平板显示，特殊窗口涂层等光电子领域。CuCrO2中的空穴主要来源于间隙氧、铜空位和铬空位，由于空穴的迁移率比较低，CuCrO2的电导率相比于n型半导体来说要小得多。因此如何提高CuCrO2的导电性能成为了当前的研究热点。本文采用射频磁控溅射法在石英玻璃衬底上制备p型CuCrO2薄膜，优化薄膜的制备工艺，通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜，紫外-可见光分光光度计等对薄膜物相结构、表面形貌和光学性能进行表征，研究氧氩比、溅射气压和退火温度对p型CuCrO2薄膜的结构与光学性能的影响，得出最优的工艺，并制备成p-CuCrO2/n-Si异质结，分析异质结的I-V特性。研究结果总结如下:
　　1)在衬底温度为500℃、溅射气压为1.0Pa、溅射功率为120W、溅射时间为120min、退火温度为800℃、不同氧氩比条件下制备的CuCrO2薄膜都具有3R铜铁矿结构;随着氧氩比的增大，CuCrO2薄膜出现了(006)衍射峰，且(110)峰逐渐消失，CuO和CuCr2O4相也基本消失了，氧气作为反应气体时会影响薄膜的生长取向;随着氧氩比的提高，CuCrO2薄膜的透光性能下降了，薄膜的光学带隙宽度变小，且薄膜的吸收峰向长波方向移动。氧氩比为0时，薄膜在可见光范围内的平均透射率最大，为79％，其光学带隙宽度为3.06eV。
　　2)在衬底温度为500℃、氧氩比为0、溅射功率为120W、溅射时间为120min、退火温度为800℃、不同溅射气压条件下制备的CuCrO2薄膜都具有3R铜铁矿结构;随着溅射气压的增大，薄膜逐渐变得平整光滑，厚度也逐渐减小;随着溅射气压的升高，薄膜在可见光范围内的平均透射率提高了，当溅射气压为4.0Pa时，薄膜的可见光平均透射率最大为80％，且随着溅射气压的增大，薄膜的光学带隙宽度变小，薄膜的吸收峰向长波方向移动。
　　3)在衬底温度为500℃、溅射气压为1.0Pa、氧氩比为1∶4、溅射功率为120W、溅射时间为120min条件下制备薄膜，未经过退火处理的CuCrO2薄膜为非晶态;通过退火处理后，薄膜从非晶态转变为晶态，且都具有3R铜铁矿结构，随着退火温度的升高，CuO相逐渐减少，薄膜的结晶性能逐渐增强;当退火温度超过800℃后，薄膜中又出现CuO相，说明退火温度过高，会导致CuCrO2分解;随着退火温度的升高，薄膜的可见光透射率逐渐增大，薄膜的光学带隙宽度逐渐变大，薄膜的吸收峰向短波方向移动。当退火温度为800℃时，薄膜的平均可见光透射率最高，为70％，光学带隙宽度为3.06eV。
　　4)在Si衬底上制备p型CuCrO2薄膜形成p-CuCrO2/n-Si异质结，不同退火温度制备的p型CuCrO2薄膜都具有3R铜铁矿结构，且不含有其他杂相。随着退火温度的升高，薄膜的颗粒逐渐减小，且颗粒变得均匀，薄膜中的孔隙缺陷逐渐减小，薄膜的结晶化程度逐渐提高，薄膜变得平整致密。
　　5)不同退火温度下的p-CuCrO2/n-Si异质结都具有明显的整流特性，随着退火温度的升高，异质结的整流特性明显变好，异质结的开启电压逐渐减小，当退火温度为850℃时，异质结的开启电压最小为0.2V，在±2.0V偏压处，p-CuCrO2/n-Si异质结的正向电流和反向电流的比值的绝对值为73。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 透明导电氧化物半导体的研究背景

1．2 P型铜铁矿结构透明导电氧化物的国内外研究进展

1．3 P型CuCrO2的简介

1．3．1 CuCrO2的晶体结构

1．3．2 CuCrO2的能带结构

1．3．3 CuCrO2薄膜的性能

1．3．4 CuCrO2薄膜的制备方法

1．4 CuCrO2薄膜的应用前景

1．5 论文的研究意义与主要内容

第二章 CuCrO2薄膜的制备及表征方法

2．1 薄膜的制备工艺

2．1．1 磁控溅射法原理

2．1．2 薄膜的制备工艺

2．2 薄膜的表征方法

2．2．1 X射线衍射分析

2．2．2 扫描电子显微镜分析

2．2．3 紫外-可见光透射光谱分析

2．2．4 薄膜的厚度测量

2．2．5 薄膜的电学性能测量

第三章 CuCrO2薄膜的制备工艺优化

3．1 氧氩比对CuCrO2薄膜的性能影响

3．1．1 氧氩比对CuCrO2薄膜的物相结构的影响

3．1．2 氧氩比对CuCrO2薄膜的表面形貌的影响

3．1．3 氧氩比对CuCrO2薄膜的光学性能的影响

3．2 溅射气压对CuCrO2薄膜的性能影响

3．2．1 CuCrO2薄膜的沉积速率与溅射气压Pw的关系

3．2．2 溅射气压对CuCrO2薄膜的物相结构的影响

3．2．3 溅射气压对CuCrO2薄膜的表面形貌的影响

3．2．4 溅射气压对CuCrO2薄膜的光学性能的影响

3．3 退火温度对CuCr02薄膜的性能影响

3．3．1 退火温度对CuCrO2薄膜的物相结构的影响

3．3．2 退火温度对CuCrO2薄膜的表面形貌的影响

3．3．3 退火温度对CuCrO2薄膜的光学性能的影响

3．4 本章小结

第四章 p-CuCrO2／n-Si异质结的制备与性能研究

4．1 p-CuCrO2／n-Si异质结的制备

4．1．1 样品制备

4．1．2 电极的制备

4．1．3 p-CuCrO2／n-Si异质结的测试

4．2 p-CuCrO2／n-Si异质结的性能测试

4．2．1 p-CuCrO2／n-Si异质结的物相结构分析

4．2．2 p-CuCrO2／n-Si异质结的表面形貌分析

4．2．3 p-CuCrO2／n-Si异质结的I-V特性分析

4．3 本章小结

全文总结

特色与创新之处

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢