Sn、Cr掺杂In2O3薄膜的制备及光敏性质研究

摘要

In2O3为透明导电氧化物，具有良好的导电性、高的可见光透光性，对紫外光强烈吸收，适用于红外光与可见光强烈干扰，紫外环境相对干净的环境中。紫外探测技术在人们的日常生活中有着重要的作用，尤其是在可燃性气体尾焰探测、火警探测、光敏皮肤的检测、食品消毒等方面具有不可替代性。目前国内外对于In2O3的紫外光敏性能的研究还鲜有报道，因此开展对In2O3薄膜的紫外光敏特性的研究具有重要意义。
　　 实验采用磁控溅射技术在玻璃与硅(004)基底上制备了In2O3薄膜、Sn掺杂In2O3薄膜和Sn、Cr共掺In2O3薄膜。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱仪分别对薄膜晶体结构、表面形貌、表面粗糙度、元素价态进行了分析，并利用霍尔测试仪测量了薄膜的载流子浓度、迁移率、电阻率。通过紫外-可见分光光度计和紫外光敏测试仪分别研究了薄膜的透光率、光敏性能。研究结果表明：
　　 1)所制备的薄膜的晶体结构均为体心立方，所有衍射峰均为In2O3的衍射峰，并没有出现第二相。随着衬底温度的增加，Sn单掺的In2O3薄膜择优取向均为(222)方向，而Sn、Cr共掺的In2O3薄膜择优取向由(400)转变为(222)方向。随着氧流量的逐渐增加，Sn单掺与Sn、Cr共掺的In2O3薄膜择优取向从氧流量为0.4sccm时的(400)方向转变为富氧状态下的(222)方向，并且这两个衍射峰均发生微小位移，说明Sn与Cr掺杂后，In2O3晶格发生畸变。
　　 2)薄膜的表面形貌、粗糙度与择优取向、晶粒大小有关。(400)取向择优生长的薄膜表面为锯齿状，粗糙度较大。而(222)择优取向生长的薄膜表面为光滑的片状，粗糙度较小。随着衬底温度增加，薄膜的晶粒尺寸逐渐增大，粗糙度增加。随着氧流量增加，薄膜的晶粒尺寸减小，粗糙度降低。衬底温度为600℃，氧流量为0.4sccm时，0.23at％Sn单掺与0.23at％Sn、1.29at％Cr共掺的In2O3薄膜表面形貌为锯齿状，粗糙度较大，后者薄膜表面粗糙度均方根最大为25nm。
　　 3)霍尔测量发现，随着衬底温度的增加，薄膜的载流子浓度增加，迁移率先增加后降低，而电阻率逐渐降低。衬底温度为600℃，氧流量为0.4sccm时0.23at％Sn掺杂In2O3薄膜载流子浓度达到最大为1.29×1021cm-3，此时电阻率最小为2.88×10-4Ωcm，同条件下，0.23at％Sn、1.29at％Cr共掺In2O3薄膜流子浓度达为9.09×1020cm-3，电阻率为3.27×10-3Ωcm。Sn单掺比Sn、Cr共掺的In2O3薄膜的载流子浓度高，电阻率低。这是由于Cr离子以Cr2+和Cr3+的方式进入In2O3晶格内，分别替代了In3+与Sn4+。
　　 4)薄膜的透光率与载流子浓度、表面粗糙度有关。所制备的薄膜的对紫外光均有很强的吸收作用。载流子浓度越高，表面越粗糙，透光率越低。Sn单掺与Sn、Cr共掺的In2O3薄膜对可见光透光率为75％左右，满足紫外探测器的要求。根据透光率与吸收系数、光学带隙间的关系，计算出薄膜带隙。结果发现薄膜的光学带隙与载流子浓度的变化一致，此现象可用Burstein-Moss移动解释。衬底温度为600℃，氧流量为0.4sccm，0.23at％Sn掺杂的In2O3薄膜的带隙最宽，为3.69eV，低于本征In2O3的带隙3.75eV。
　　 5)研究表明所制备薄膜对紫外光的灵敏度与薄膜致密性及表面粗糙度有关，而与薄膜的载流子浓度、迁移率、电阻率影响较小。薄膜致密度越差、表面粗糙度越高，对紫外光的灵敏度越高，响应时间越长。衬底温度同为600℃时，氧流量为0.4sccm，Sn、Cr共掺的In2O3薄膜较单掺Sn对紫外光的灵敏度高出1.57％，而响应时间长出4.13s。