一种低电阻率、高载流子浓度的p型氧化铜薄膜的制备方法

摘要

本发明公开了一种低电阻率、高载流子浓度的p型氧化铜薄膜的制备方法，该方法选择掺杂锂的氧化铜作为脉冲激光沉积的靶材，通过选择合适的锂掺杂浓度，即可得到低电阻率、高载流子浓度的p型氧化铜薄膜，其中金属锂的掺杂量为2wt％时，得到的p型氧化铜薄膜的电阻率为7.56Ω·cm、载流子浓度为7.39×10

说明书

技术领域

本发明属于半导体薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种低电阻率、高载流子 浓度的p型氧化铜薄膜的制备方法。

背景技术

氧化铜是一种重要的半导体材料，其光学禁带宽度为1.2eV～1.9eV。与太阳 光能谱接近，因而对太阳光有较好的吸收能力，其理论转化效率为31％，因而是一 种较为理想的太阳能电池材料。并且大多数情况下天然的氧化铜显示为p型导电性， 这是由于本征缺陷铜的空位的存在。在地球上拥有大量的铜资源，因而氧化铜具有 价格低廉、制备成本较低的特点，使其成为一种具有广泛用途的材料。在太阳能电 池、光催化剂、电极材料、阻变存储器、超导体、制氢、光致色变等方面有很强的 应用。但是由于氧化铜薄膜材料的电阻率较高、载流子浓度较低，因而影响了氧化 铜电子和光电子器件的性能。因此，寻求制备好的电学性能的p型氧化铜薄膜的方 法非常重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种操作简单，电阻率低、载流子浓度高 的p型氧化铜薄膜的制备方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：将衬底和掺杂1wt％～4wt％锂的氧化铜 靶放入激光脉冲沉积设备的沉积室内，将沉积室抽真空至1×10^-3Pa以下，加热衬 底至450～550℃，打开氧气通气阀，向沉积室通入氧气，调节沉积室的压强为8～ 12Pa，然后用KrF准分子脉冲激光轰击氧化铜靶，在衬底上沉积氧化铜薄膜，脉 冲激光的频率为3～8Hz，沉积时间为1～2小时，沉积结束后，自然冷却至室温， 得到p型氧化铜薄膜。

本发明进一步优选将衬底和掺杂2wt％锂的氧化铜靶放入激光脉冲沉积设备的 沉积室内，将沉积室抽真空至1×10^-4Pa以下，加热衬底至500℃，打开氧气通气 阀，向沉积室通入氧气，调节沉积室的压强为8Pa，然后用KrF准分子脉冲激光轰 击氧化铜靶，在衬底上沉积氧化铜薄膜，脉冲激光的频率为5Hz，沉积时间为2 小时，沉积结束后，自然冷却至室温，得到p型氧化铜薄膜

上述的衬底与氧化铜靶的距离为4～8cm；所述的脉冲激光的能量模式为恒能 模式，激光能量密度为150mJ/Plus；所述的衬底为单晶硅片、普通玻璃、石英玻 璃、氧化铟锡导电玻璃、掺氟氧化锡导电玻璃中的任意一种。

本发明采用脉冲激光沉积法，通过金属锂的掺杂，在衬底上形成p型氧化铜薄 膜。本发明操作简单，得到的p型氧化铜薄膜电阻率低、载流子浓度高，其中金属 锂的掺杂量为2wt％时，得到的p型氧化铜薄膜的电阻率为7.56Ω·cm、载流子浓度 为7.39×10¹⁹cm^-3。

附图说明

图1是实施例1～3及对比例1制备的p型氧化铜薄膜的X射线衍射图。

图2是实施例1～3及对比例1制备的p型氧化铜薄膜的透射光谱图。

图3是实施例1～3及对比例1制备的p型氧化铜薄膜的光学带隙图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限 于这些实施例。

实施例1

将普通玻璃衬底依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗5分钟，用氮气吹干。 称取0.98g氧化铜粉末和0.02g金属锂粉末，放于直径为2cm的金属模具中用压 片机在压强为10MPa下压靶，得到掺杂1wt％锂的氧化铜靶。将清洗干净的普通玻 璃衬底和掺杂2wt％锂的氧化铜靶通过机械手传送至激光脉冲沉积设备的沉积室内， 用机械泵和分子泵将沉积室抽真空至1×10^-4Pa，调节玻璃衬底和氧化铜靶的距离 为6cm，然后将玻璃衬底加热至500℃，接着打开氧气通气阀，向沉积室通入氧 气，并打开质量流量计，控制氧气流量为18sccm，调节沉积室压强至8Pa。用波 长为248nm的KrF准分子脉冲激光在能量密度为50mJ/Plus下进行光路调节，将 光斑聚焦到掺杂1wt％锂的氧化铜靶上，然后用波长为248nm的KrF准分子脉冲激 光在能量密度为150mJ/Plus下打靶，并同时旋转靶材和衬底，在玻璃衬底上沉积 氧化铜薄膜，脉冲激光的频率为5Hz，能量模式为恒能模式，沉积时间为2小时， 沉积结束后，自然冷却至室温，得到厚度为230nm的p型氧化铜薄膜。

对比例1

在实施例1中，用纯的氧化铜靶替换掺杂2wt％锂的氧化铜靶，其他步骤与实施 例1相同，得到p型氧化铜薄膜。

实施例2

在实施例1中，用掺杂1wt％锂的氧化铜靶替换掺杂2wt％锂的氧化铜靶，其他 步骤与实施例1相同，得到p型氧化铜薄膜。

实施例3

在实施例1中，用掺杂4wt％锂的氧化铜靶替换掺杂2wt％锂的氧化铜靶，其他 步骤与实施例1相同，得到p型氧化铜薄膜。

发明人采用X-射线衍射仪、紫外可见近红外光谱仪、霍尔效应测试仪对实施例 1～3及对比例1制备的p型氧化铜薄膜进行表征，结果见图1～3及表1。

表1实施例1～3及对比例1制备的p型氧化铜薄膜的电学性能

由图1可见，实施例1～3及对比例1制备的p型氧化铜薄膜均出现了CuO(002) 和(111)晶面的衍射峰，但相对于对比例1未掺杂锂制备的p型氧化铜薄膜，实 施例1～3制备的p型氧化铜薄膜(111)晶面的衍射峰随着锂掺杂量的增加逐渐增 强，说明掺杂锂能够促进CuO(111)晶面的定向生长，抑制(002)晶面的生长。

由图2～3可见，实施例1～3及对比例1制备的p型氧化铜薄膜的光学带隙分 别为1.46eV、1.42eV、1.52eV、1.50eV，说明掺杂锂对制备的p型氧化铜薄膜 的光学带隙影响不大。

由表1可见，与对比例1相比，实施例1～3中采用掺杂锂的氧化铜靶制备的p 型氧化铜薄膜的电阻率明显降低、载流子浓度明显增大，其中掺杂2wt％锂的氧化铜 靶制备的p型氧化铜薄膜的电学性能最好，其电阻率相对于对比例1降低了约66 倍，载流子浓度相对于对比例1提高了约30000倍。上述试验结果说明，本发明方 法可显著改善p型氧化铜薄膜的电学性能。