透明氧化物半导体薄膜的制备及其光电特性的研究

发布时间：2017-08-04 15:09

  本文关键词：透明氧化物半导体薄膜的制备及其光电特性的研究

  更多相关文章： 磁控溅射 ZnO:Ga靶材 NiO:Cu靶材 ZnO:Ga薄膜NiO:Cu薄膜 pn结 Ⅰ-Ⅴ曲线 光电特性

【摘要】：以ZnO、Ga_2O_3、NiO、CuO等粉末为原料,采用固相反应法制备了ZnO:Ga和NiO:Cu陶瓷靶材。研究了不同烧结温度对ZnO:Ga和NiO:C u陶瓷靶材的致密度和掺杂比的影响。采用射频磁控溅射镀膜机在玻璃衬底上沉积了具有高度c轴择优取向的ZnO:Ga和NiO:Cu透明半导体薄膜。探索了溅射功率、氩气流量、溅射压强、衬底温度和氧气流量等工艺对ZnO:Ga和NiO:Cu薄膜的微结构、光学性能和电学性能的影响。在最佳的成膜工艺下,在ITO玻璃衬底上沉积了ZnO:Ga和NiO:Cu膜,测试了ZnO:Ga和N iO:Cu膜的I-V特性曲线。主要实验结果如下：(1)经1500℃,4小时烧结的ZnO:Ga陶瓷靶材,其镓锌原子掺杂比为4.34%,其致密度高达98.84%。(2)经1300℃,4小时烧结的NiO:Cu陶瓷靶材,其铜镍原子掺杂比为9.96%,其致密度高达98.02%。(3)ZnO:Ga陶瓷靶材的烧结温度超过1550℃时,靶材致密度下降到96%；而镓锌原子掺杂比上升到18.67%,且镓锌原子掺杂比随着烧结时间的增长而升高。(4)在烧结过程中,当烧结温度高于1100℃时,如升温速率超过1℃/min,会导致NiO:Cu陶瓷靶材开裂、弯曲。(5)霍耳效应实验结果显示,本文所制备的ZnO:Ga薄膜均为n型半导体。XRD测试结果显示,在ZnO:Ga薄膜的XRD图谱中,只含ZnO (002)的特征衍射峰。(6)ZnO:Ga薄膜的晶粒尺寸大小、载流子迁移率在溅射功率加大时上升；电阻率和光学透过率在溅射功率增加时候下降。实验结果显示,ZnO:Ga薄膜的光学透过率均大于80%。(7) ZnO:Ga薄膜的晶粒尺寸、载流子迁移率和电阻率随沉积过程中氩气流量、溅射压强、衬底温度和氧氩比的变化而变化。当氩气流量为60SCCM时,ZnO:Ga薄膜的晶粒尺寸较大,载流子迁移率较高,而电阻率较低。当氩气流量为80SCCM时,ZnO:Ga薄膜的光学透过率较高。当溅射压强为0.35Pa时,ZnO:Ga薄膜晶粒尺寸和载流子迁移率较大,而其电阻率较小。当溅射压强为2Pa时,ZnO:Ga薄膜的光学透过率较高。当衬底温度为450℃时,ZnO:Ga薄膜晶粒尺寸和载流子迁移率较大,而其电阻率较小。当衬底温度为350℃时,ZnO:Ga薄膜的光学透过率较高。当氧氩比为1：1时,ZnO:Ga薄膜晶粒尺寸较小,其光学透过率较大。(8)霍耳效应实验结果显示,本文所制备的NiO:Cu薄膜均呈现为p型半导体。(9)NiO:Cu薄膜的载流子迁移率、电阻率和光学透射率随沉积过程中溅射功率、溅射压强、衬底温度和氧氩比的变化而变化。随着溅射功率的增加,NiO:Cu薄膜的电阻率和载流子迁移率逐渐增大,光学透射率逐渐降低。XRD图谱显示,当衬底温度为350℃时NiO(111)衍射峰较强,随着衬底温度的增加,NiO(111)衍射峰强度降低。提高衬底温度导致电阻率和载流子迁移率先增高而后降低。薄膜的光学透过率随衬底温度的升高而升高。当氧氩比为1：1时,NiO (111)衍射峰较强；随着氧氩比的升高,NiO薄膜样品的电阻率先减小而后增大,载流子迁移率先增加后减小,薄膜的光学透过率随氧氩比的升高而升高。(10)在n型ZnO:Ga薄膜上沉积p型NiO:Cu薄膜制成pn结,并采用霍耳效应装置测量其I-V曲线,显示出典型的pn结的I-V曲线。
【关键词】：磁控溅射 ZnO:Ga靶材 NiO:Cu靶材 ZnO:Ga薄膜NiO:Cu薄膜 pn结 Ⅰ-Ⅴ曲线 光电特性
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.055
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 绪论15-22
• 1.1 引言15-16
• 1.2 n型透明氧化物半导体薄膜16-19
• 1.3 p型透明氧化物半导体薄膜19-21
• 1.4 选题意义21-22
• 第二章 薄膜制备方法及其表征22-33
• 2.1 薄膜的不同制备方法分类22-27
• 2.1.1 磁控溅射法22
• 2.1.2 金属有机物化学气相沉积法22-23
• 2.1.3 分子束外延23-24
• 2.1.4 溶胶凝胶法24
• 2.1.5 脉冲激光沉积法24-26
• 2.1.6 喷雾热解法26
• 2.1.7 真空蒸镀26-27
• 2.1.8 离子镀27
• 2.2 磁控溅射原理和制备薄膜的实验过程27-29
• 2.2.1 磁控溅射原理27-28
• 2.2.2 薄膜制备的实验过程28-29
• 2.3 薄膜样品的表征方法29-33
• 第三章 掺镓氧化锌和掺铜氧化镍靶材的制备和性能分析33-52
• 3.1 靶材的研究现状33-35
• 3.1.1 靶材的类型和当前的问题33-34
• 3.1.2 靶材的制备方法34-35
• 3.2 靶材制备实验过程35-37
• 3.3 ZnO：Ga靶材制备及性能分析37-45
• 3.3.0 烧结工艺37-39
• 3.3.1 不同烧结温度ZnO：Ga靶材的物相分析39-40
• 3.3.2 不同烧结温度对镓锌原子掺杂比影响的分析40-42
• 3.3.3 不同烧结温度对靶材致密度的影响分析42-45
• 3.4 NiO：Cu靶材制备和性能分析45-51
• 3.4.1 烧结工艺45-47
• 3.4.2 不同烧结温度NiO：Cu靶材的物相分析47-48
• 3.4.3 不同烧结温度对铜镍原子掺杂比的影响分析48-49
• 3.4.4 不同烧结温度对靶材致密度的影响分析49-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第四章 掺镓氧化锌薄膜制备及光电特性分析52-79
• 4.1 溅射功率对薄膜的影响52-65
• 4.1.1 溅射功率对ZnO：Ga薄膜微结构的影响52-59
• 4.1.2 溅射功率对ZnO：Ga薄膜电学性能的影响59-64
• 4.1.3 溅射功率对ZnO：Ga薄膜光学性能的影响64-65
• 4.2 溅射气体流量对于薄膜的影响65-68
• 4.2.1 溅射气体流量与ZnO：Ga薄膜微结构的关系65-66
• 4.2.2 溅射气体流量与ZnO：Ga薄膜电学性能的关系66-67
• 4.2.3 溅射气体流量与ZnO：Ga薄膜光学性能的关系67-68
• 4.3 溅射压强68-71
• 4.3.1 溅射压强对ZnO：Ga薄膜微结构的影响68-69
• 4.3.2 溅射压强对ZnO：Ga薄膜电学性能的影响69-70
• 4.3.3 溅射压强对ZnO：Ga薄膜光学性能的影响70-71
• 4.4 衬底温度71-74
• 4.4.1 衬底温度对ZnO：Ga薄膜微结构的影响71-73
• 4.4.2 衬底温度对ZnO：Ga薄膜电学性能的影响73
• 4.4.3 衬底温度对ZnO：Ga薄膜光学性能的影响73-74
• 4.5 氧氩比对薄膜的影响74-77
• 4.6 本章小结77-79
• 第五章 掺铜氧化镍薄膜制备及光电特性分析79-99
• 5.1 溅射功率对薄膜的影响79-86
• 5.1.1 溅射功率对NiO：Cu薄膜微结构的影响79-81
• 5.1.2 溅射功率对NiO：Cu薄膜电学性能的影响81-83
• 5.1.3 溅射功率对NiO：Cu薄膜光学性能的影响83-86
• 5.2 衬底温度86-89
• 5.2.1 衬底温度对NiO：Cu薄膜微结构的影响86-87
• 5.2.2 衬底温度对NiO：Cu薄膜电学性能的影响87-88
• 5.2.3 衬底温度对NiO：Cu薄膜光学性能的影响88-89
• 5.3 氧氩比对薄膜的影响89-92
• 5.3.1 氧氩比对NiO：Cu薄膜微结构的影响89-90
• 5.3.2 氧氩比对NiO：Cu薄膜电学性能的影响90-91
• 5.3.3 氧氩比对NiO：Cu薄膜光学性能的影响91-92
• 5.4 多层膜的制备92-98
• 5.4.1 多层膜的微观结构93-95
• 5.4.2 多层膜的Ⅰ-Ⅴ曲线95-98
• 5.5 本章小结98-99
• 第六章 总结与展望99-101
• 6.1 总结99-100
• 6.2 展望100-101
• 参考文献101-110
• 致谢110-111
• 攻读硕士学位期间发表论文情况111

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