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脉冲激光沉积CdO和ZnO基薄膜及其光电性能研究

郑必举  
【摘要】:透明导电氧化物(TCOs)薄膜具有高的电导率和高的光透过率,因而成为了科研和工业上的重点研究课题。重点体现在TCOs作为透明导电电极在光电子太阳能,平板显示,有机发光二极管等领域都有大量应用。其中,Sn掺杂In2O3(ITO)是应用最为广泛的材料。但是由于金属铟的匮乏及高昂的价格,限制了其在透明电极的应用,因而急需寻求新的替代材料。这种替代材料的电阻率(ρ)应该在~10-3Ωcm数量级或更小,在近紫外-可见光范围内的透过率大于80%。目前,掺杂的CdO和ZnO薄膜是替代ITO的最佳选择,因为它们的电阻率都较低(10-4Ωcm数量级),在500-600 nm可见光范围内的平均透光率达到85%,而且它们原材料价格低廉,可以大规模生产。CdO基和ZnO基薄膜都可广泛应用于显示、探测器、抗反射涂层、气敏传感器、光电、电致变色器件等领域。因此,研究CdO基和ZnO基透明导电氧化物薄膜的光学和电学性能具有重要的意义。 综上所述,本论文从两个基本点出发:一、如何进一步降低薄膜的电阻率;如何有效的改变薄膜的禁带宽度。重点研究了不同In、Sn含量掺杂CdO薄膜的结构、形貌、电学以及光学性质。另外,ZnO与CdO都是同一族氧化物半导体,它们具有相似的半导体特性,所以本文对掺杂的ZnO基薄膜及与CdO的复合薄膜也进行了深入的研究和探讨。利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和X射线光电子能谱(XPS)对薄膜的成分和微观组织进行了分析和观察;利用紫外一可见光分光光度计、光致发光和霍尔效应仪对薄膜的光学和电学性能进行了表征。 1.利用脉冲激光沉积法在石英玻璃基底上制备铟掺杂氧化镉薄膜(In-CdO),氧气气氛压强为10Pa,基底温度为300℃,靶材为铟镉合金靶。研究了不同In含量掺杂对In-CdO薄膜的结构、光学和电学性能影响。与未掺杂CdO薄膜相比较,3.8at%In掺杂的In-CdO薄膜在可见光区域内具有高的光学透过率,明显变宽的直接禁带宽度(2.97eV),高的载流子浓度和低的电阻率。但是,当掺杂In含量进一步增加到5.5 at%时,In-CdO薄膜中有In203相出现,In203会增加对电子的散射从而导致了In-CdO薄膜的光学和电学性能下降。 2.通过脉冲激光法在石英玻璃基底上沉积了锡掺杂氧化镉(Sn-CdO)透明导电薄膜,制备工艺与In-CdO薄膜基本相同。用X射线衍射,场发射扫描电子显微镜,紫外-可见光分光光度计和霍尔效应仪检测了薄膜的结构、光学和电学性能。结果表明Sn的掺杂提高了薄膜[111]方向的择优生长,而且促使了(200)晶面衍射角增大。Sn-CdO薄膜的光学禁带宽度随着Sn掺杂含量的增加而变宽。另外,适量的Sn掺杂可以明显改善CdO薄膜的电学性能,比如2.9at%Sn掺杂CdO薄膜的电阻率是未掺杂薄膜的十二分之一,载流子浓度是未掺杂的十三倍。在550nm波长处,含量为2.9 at%的Sn掺杂CdO薄膜具有最佳的性能指数,达到3.5×10-3Ω-1,这个数值非常接近ITO的性能指数(4.2×10-3Ω-1)。因而光学和电学性能的改良使得Sn-CdO薄膜作为透明导电材料具有重要的应用价值。 3.三元半导体Zn1-xCdxO薄膜通过脉冲激光法沉积在石英玻璃基底上。镉含量,x=Cd/(Cd+Zn),从0增加到0.23。XRD图谱分析所有Zn1-xCdxO薄膜都具有c轴取向的六方纤锌矿结构,而且c轴晶格常数随着x的增加而增加。原子力显微镜观察到随着x的增加Zn1-xCdxO薄膜的晶粒尺寸逐渐减小。光致发光和透过率测量都证实随着x的增加,薄膜的禁带宽度从3.27 eV降低到了2.78 eV,同时导致了光致发光峰半高宽的变大。在电学性能方面,Zn1-xCdxO薄膜的电阻率随Cd含量x的增加逐渐降低。光致发光峰迁移到了可见光范围内,结合其低的电阻率,使得Zn1-xCdxO薄膜可以应用在可见光发光二极管及其它高效率的光电子器件。 4.通过脉冲激光法在石英玻璃基底上沉积了四元Zn0.86Cd0.11In0.03O合金半导体薄膜。其中,Cd的掺杂是用来改变ZnO的光学禁带宽度,1n是用来提高载流子浓度的。XRD分析证实Zn0.86Cd0.11In0.03O具有六方纤锌矿结构而没有其它相(如CdO和In203相)出现。场发射扫描电子显微镜观察到Zn0.86Cd0.11In0.03O薄膜的晶粒尺寸要比未掺杂ZnO的小。所有薄膜在可见光范围内都有很高的透过率(~85%)。最重要的是,在保持了Zn1-xCdxO薄膜的光学特性外,Zn0.86Cd0.11In0.03O薄膜的电学性能得到了改善,低的电阻率(4.42×10-3Ωcm)和高的载流子浓度(5.50x1019cm-3),使得它比Zn1-xCdxO薄膜更具应用价值。 5.本实验通过脉冲激光沉积法首次制备了ZnO/CdO复合薄膜。X射线衍射、光致发光和电阻率测量分析了薄膜的结构、光学和电学性能。光致发光谱表明所有ZnO/CdO复合薄膜都具有相同的PL发光峰,保持了未掺杂ZnO的发光特性。同时,复合薄膜的电阻率大大的下降了几个数量级,接近了纯CdO薄膜的电阻率。这可以用Matthiessen公式来解释。与传统掺杂方法相比,本实验制备的ZnO/CdO复合薄膜可同时具有ZnO的发光特性和CdO的电学特性,从而获得单一TCO材料所不具备的性能,满足某些特殊需求。


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