锡酸镧钡薄膜的光电特性研究及半导体材料电学测试系统的设计

发布时间：2017-06-14 01:07

  本文关键词：锡酸镧钡薄膜的光电特性研究及半导体材料电学测试系统的设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：透明导电氧化物(Transparent Conducting Oxides, TCOs)是一种拥有高透过率、高电导率的半导体材料,在光电器件、太阳能电池、液晶显示器、场效应管等多个领域都有着广泛应用。常见的材料如ZnO、SnO2和In2O3,它们常作为半导体器件的透明导电窗口,比如pn结、场效应管和紫外探测器。然而这些材料存在一定的局限性,比如氧原子结构不稳定、失配、降解等问题。因此,探究一种性能更佳的透明导电氧化物材料体系很有必要。钙钛矿结构氧化物是一类重要的透明导电氧化物,其在铁电性,铁磁性,超导电性和压电性能等方面均有良好体现。在微电子材料和器件方面,钙钛矿材料的多层结构也有着很大的潜在应用。因此,进一步研究其结构和物理机制有了很大的必要性。碱土锡酸盐是一种钙钛矿结构,它结构的通式为RSnO3 (R=Ba, Sr, Ca)。由于其良好的光学及电学特性,在诸多领域应用广泛,是一种极为重要的半导体材料结构。在RSnO3结构中,BaSnO3 (BSO)是一种典型的钙钛矿结构氧化物,其表现为n型半导体性质,具有宽禁带和高透过率,并且在1000℃时保持稳定。目前BSO材料被应用于物理传感器、器件外延结构、光电技术等多个领域。最近研究表明,镧掺杂的BSO (BLSO)具有更多潜在优点,比如BLSO单晶薄膜的电子迁移率达到320cm2V-1s-1,禁带宽度超过4 eV,明显高于一般透明导电氧化物。因此,BLSO在导电材料应用以及多层外延结构方面拥有极大的潜在应用。Shan et al.报道了镧掺杂与BSO光学性质变化的内在机理。与此同时,国内外文献对于该材料在常温下的红外、紫外以及掺杂结构都有一定的实验与分析。目前,对于变温环境下的光电特性以及禁带宽度等问题尚缺少研究。所以,在变温环境下对于BLSO薄膜的性质研究是十分必要的。本文所使用的BLSO薄膜采用溶胶凝胶(Sol-Gel)方法制备,其衬底是A1203(0001)。在多个镧掺杂组分和不同温度环境下,对BLSO材料的光学和电学特性进行了实验分析。本文通过BLSO材料在变温变组分(镧组分从0%到100%)条件下的透射光谱测试,得出了其透射光谱随温度和组分变化的一般规律。通过拟合得出薄膜的介电函数和禁带宽度等参数。通过对禁带宽度进行玻色爱因斯坦模型拟合,建立了BLSO材料的温度-组分双重依赖关系模型。对于全组分,材料禁带宽度与组分呈正向关系,与温度呈反向关系。轻掺杂(x≤0.04)状态下,BLSO材料与温度和掺杂浓度都呈强依赖关系,而重掺杂(x≥0.06)状态下,BLSO材料与温度或组分都呈弱依赖关系。通过测试BLSO薄膜在变温状态下的电学特性,分析了材料电阻率的组分和温度依赖关系。这种依赖关系的特性与其光学特性很相似。都在镧轻掺杂(x≤0.04)时表现为强依赖关系,重掺杂(x≥0.06)时表现为弱依赖关系。对于重掺杂的BLSO材料,其存在一个掺杂浓度临界值,在其组分超过临界值后,禁带宽度将显著增大。对于其内部机理,主要从晶格结构的变化来解释,镧离子对于钡离子的取代将造成BLSO晶格结构的反常膨胀。在半导体材料电学测试系统搭建方面,主要实现了“变温I-V特性曲线测试系统”以及“压电测试系统”的搭建。在半导体材料的研究过程中,经常需要在复杂环境下对于材料的各种性能进行测试。以往对于仪器的手动控制往往操作复杂且效率低下,需要实验人员花费大量时间不断设置实验仪器和记录数据。本文所搭建的系统能够实现利用计算机终端对于多个控制设备的集成功能,实验人员通过在计算机的控制,便可完成对于综合测试功能的实现,具有重要意义。
【关键词】：锡酸镧钡 透明导电氧化物 变温 光电特性 测试系统
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2;TN304.07
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 紫外可见吸收光谱技术14-15
• 1.3 电学表征技术15-16
• 1.4 BLSO薄膜的制备16-17
• 1.5 硕士期间主要工作17-18
• 1.5.1 变温环境下BLSO的光学及电学特性17
• 1.5.2 实验室测试系统搭建17-18
• 1.6 本文主要内容18-20
• 参考文献20-23
• 第二章 BLSO薄膜光学特性23-37
• 2.1 薄膜材料的光学色散关系23-24
• 2.1.1 Tauc-Lorentz色散关系23
• 2.1.2 Drude-Lorentz色散关系23-24
• 2.2 变温条件下薄膜紫外透射光谱24-28
• 2.3 变温条件下薄膜介电函数28-31
• 2.4 能带随温度变化机理分析31-34
• 2.5 本章小结34-35
• 参考文献35-37
• 第三章 BLSO薄膜电学特性37-43
• 3.1 变温条件下薄膜电阻率37-38
• 3.2 薄膜电迁移机理分析38-40
• 3.3 本章小结40-41
• 参考文献41-43
• 第四章 变温I-V特性曲线测试系统的搭建43-49
• 4.1 系统设备构成43-45
• 4.1.1 系统整体架构43
• 4.1.2 电学测试系统43-44
• 4.1.3 温度控制系统44-45
• 4.2 系统程序设计45-48
• 4.2.1 程序需求分析45
• 4.2.2 程序设计方案45-48
• 4.3 本章小结48-49
• 第五章 压电测试系统的搭建49-53
• 5.1 系统设备构成49-50
• 5.2 程序设计方案50-52
• 5.2.1 程序需求分析50
• 5.2.2 程序设计方案50-52
• 5.3 本章小结52-53
• 第六章 总结与展望53-57
• 6.1 总结53-55
• 6.2 展望55-57
• 附录Ⅰ 硕士期间科研成果57-59
• 附录Ⅱ 致谢59

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本文编号：448063