p型透明导电CuAlO2薄膜及p-CuAl0.8O2/n-ZnO:Al异质结二极管的制备与性能研究

摘要

在光电器件技术领域,“透明电子”或“隐形电子”器件的研究已成为热点。以CuAlO2(CAO)为代表的Cu+基透明导电氧化物(TCO)薄膜与n型半导体材料ZnO结合制备有源器件的研究是其中的一个重要领域。
　　首先采用溶胶凝胶工艺在石英玻璃和硅p(111)沉底上制备了p型的CAO薄膜;然后在覆盖有CAO薄膜的衬底上用超声波喷雾热解沉积ZnO:Al(AZO)薄膜,以制备p-CuAl0.8O2/n-AZO异质结二极管。研究了退火温度(气氛)、溶胶浓度、Al/Cu原子摩尔比和衬底材料对CAO薄膜结构和性能的影响。并研究讨论了二极管的结构与光电性能。结果如下:
　　XRD分析表明,制备的CAO薄膜均为多晶的铜铁矿结构,适当温度的退火处理能提高薄膜的结晶质量。退火过程中,通入低活性气体Ar保护有利于CAO相的生成。SEM表明,高温退火(不低于800°C)或溶胶浓度大(不小于0.45M)时制得的样品会产生龟裂和脱落。当配制的溶胶中Cu源和Al源的摩尔比为1:1时,经EDS分析,制得的薄膜中Cu元素和Al元素的原子比约为1,与CAO中原子比例Cu/Al=1:1相吻合。
　　薄膜的电学性能测试结果表明,CAO薄膜的电导性受退火温度、溶胶浓度、Al/Cu原子摩尔比以及衬底材料的影响较大。随着退火温度和Al/Cu原子摩尔比的升高,薄膜电阻率均呈现先减小后增大的变化趋势。在硅衬底上沉积的薄膜其电导性要优于石英玻璃上的薄膜。当制备条件退火温度为750°C、保护气氛为Ar、溶胶浓度为0.35M、Al/Cu原子摩尔比为0.8时,沉积于硅衬底上薄膜电阻率最低,约为5.20Ωcm。
　　紫外-可见光分光光度计测试表明,薄膜可见光区透光性受退火温度和Al/Cu原子摩尔比的影响很大。随着退火温度的升高,薄膜的透过率先增大后减小。经750°C退火处理后的CAO薄膜,其可见光区最大平均透过率达70％。随着Al/Cu原子摩尔比的增大,透光率逐渐增大。计算显示薄膜的直接光学带隙在3.00~3.34eV之间变化,间接带隙位于1.71~2.05eV范围内。
　　Quartz/p-CuAl0.8O2/n-AZO和Si/p-CuAl0.8O2/n-AZO薄膜二极管在电学性能测试中均体现出了二极管所特有的I-V特性,开启电压均在0.4V左右,反向电压区都出现了漏电流。Si/p-CuAl0.8O2/n-AZO二极管的整流特性优于Quartz/CuAl0.8O2/AZO薄膜二极管,而Si/p-CuAl0.8O2/n-AZO二极管在反向电压为-2.6V时才出现漏电流但增加的较为缓慢。Quartz/p-CuAl0.8O2/n-AZO二极管在可见光区的平均透光率约为40%。

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第一章 绪论

§ 1.1 引言

§ 1.2 p型透明导电铜铁矿CuAlO2薄膜概述

§ 1.3 ZnO:Al薄膜

§ 1.4 透明电子器件

§ 1.5 选题依据、研究内容及意义

第二章CuAlO2薄膜样品的制备和表征方法

§ 2.1 实验设备及原理

§ 2.2 CuAlO2薄膜的制备

§ 2.3 表征方法及原理

第三章 工艺条件对CuAlO2薄膜组织结构与光电性能的影响

§ 3.1 退火温度对薄膜结构和性能的影响

§ 3.2 溶胶浓度对薄膜结构和性能的影响

§ 3.3 退火气氛对薄膜结构和电学性能的影响

§ 3.4 小结

第四章 成分比和硅衬底对CuAlO2薄膜组织结构与光电性能的影响

§ 4.1 Al/Cu原子摩尔比对薄膜结构和性能的影响

§ 4.2 硅衬底对CuAlO2薄膜结构与电性能的影响研究

§ 4.3 小结

第五章 薄膜二极管(CuAl0.8O2-ZnO:Al)的研究

§ 5.1 欧姆接触

§ 5.3 结果与讨论

§ 5.4 本章小结

第六章 总结与展望

§ 6.1 总结

§ 6.2 对后续工作的展望和建议

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果