高性能p型透明导电氧化锡薄膜及其同质结的制备和研究

摘要

二氧化锡（SnO2）因具有优异的电学、磁学、光学和气敏等特性，是最早获得商用的透明导电氧化物（TCO）薄膜材料，并且在高温电子、透明电子和短波发光等器件领域也具有重要的应用前景。但目前所应用的TCO薄膜通常均为n型半导体材料，而与之相匹配的p型材料很少，多处于科学研究阶段，因而无法实现光电性能良好的透明pn结，阻碍了透明器件的发展。本文针对该现状，结合理论与前人的科研经验，以SnO2为基体，Sb为掺杂元素，成功制备并获得了p型导电ATO薄膜。
　　采用射频磁控溅射技术，将利用电场活化烧结技术得到的不同Sb掺杂含量的高性能ATO陶瓷靶材，分别在石英玻璃和普通玻璃衬底上制备ATO薄膜，进而研究不同衬底、Sb掺杂含量、热处理制度、薄膜厚度、不同扩散阻挡层等影响因素对ATO薄膜的物相结构、微观形貌、化学状态、导电类型、光电性能等影响。
　　研究发现Sb掺杂含量对ATO薄膜的导电类型影响很大。当Sb掺杂含量≤5 at.％时，ATO薄膜均呈现n型导电；当Sb掺杂含量为10 at.%时，薄膜的导电类型与热处理温度有关，当热处理温度＜500℃时，薄膜呈现p型导电，而高于此热处理温度时，薄膜呈现n型导电。在石英玻璃上制备薄膜厚度约为450 nm的ATO薄膜，当Sb掺杂浓度为20 at.%，热处理制度为650℃、2 h时，具有稳定的p型导电，并且获得最佳的电学性能，载流子浓度、迁移率和电阻率分别为1.076×1022 cm-3、1.025×10-1 cm2·V-1·s-1、5.660×10-3Ω·cm。但是，当热处理制度为700℃、2 h时具有最佳的可见光透过率85.92%。在普通玻璃衬底上制备的ATO薄膜，当以Si膜为扩散阻挡层，且厚度为80 nm，热处理制度为550℃、2 h时， p型20 at.% Sb-SnO2薄膜具有最高的品质因素，1.43×10-3Ω-1。薄膜的载流子浓度、迁移率、电阻率和平均可见光透过率分别为8.562×1021 cm-3、9.939×10-2 cm2·V-1·s-1、7.335×10-3Ω·cm和86.4%。
　　基于上述方法制备得到的光电性能最佳的p型导电ATO薄膜，分别在石英玻璃和普通玻璃衬底上制备了p-ATO(20 at.%Sb)/n-ATO(5 at.%Sb)薄膜同质结，具有良好的整流特性。但是由于p-ATO与n-ATO薄膜的电学性能参数的不匹配，导致反向漏电流较大、正向导通电流较小等问题，仍需要进行进一步实验研究分析。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 TCO薄膜的研究进展

1.3 SnO2薄膜的p型掺杂

1.4 同质结的理论基础及研究进展

1.5 研究目的及内容

2 样品的制备与表征

2.1 实验准备

2.2 磁控溅射制备ATO薄膜

2.3 ATO薄膜的结构与性能表征

3石英玻璃基p型ATO薄膜的制备与性能研究

3.1 不同Sb掺杂含量对SnO2薄膜结构及性能的影响

3.2 不同厚度对ATO薄膜结构及性能的影响

3.3 不同制度热处理对ATO薄膜结构及性能的影响

4 普通玻璃基p型ATO薄膜的结构与性能研究

4.1 不同厚度Si膜阻挡层对ATO薄膜结构及性能的影响

4.2 不同温度热处理对ATO/Si薄膜结构及性能的影响

4.3 SiO2阻挡层对ATO薄膜结构及性能的影响

5 p-ATO/n-ATO同质结的制备与研究

5.1 石英玻璃基同质结的制备与研究

5.2 普通玻璃基同质结的制备与研究

6 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文