ⅢA族元素掺杂ZnO透明导电薄膜的研究及在6H-SiC上的电极应用

【摘要】：ⅢA族元素掺杂ZnO薄膜具备良好的透明导电性能(透过率90%,电阻率10-4Ω·cm),且无毒污染、价格低廉,有望取代ITO成为新一代工业应用透明导电薄膜材料。本文研究了磁束缚电感耦合等离子体增强物理气相沉积法(ICP-PVD)制备的ⅢA族元素掺杂ZnO透明导电薄膜,分析了掺杂ZnO薄膜中的半导体性能及光学性能。另外,通过掺杂ZnO薄膜的晶体结构、表面、透明和半导体性能的比较,研究Al、Ga元素掺杂对ZnO透明导电薄膜应用的影响。ZnO与6H-SiC的结构相似,晶格失配度低(c轴～3.3%),因而是6H-SiC基光电器件的良好窗口材料,应用领域及前景非常广泛。因此本文进一步研究了Al、 Ga元素掺杂ZnO/6H-SiC异质结的结构、界面及能带排列,并实现了ZnO:Ga(GZO)透明导电薄膜在6H-SiC光导开关上的电极应用。主要工作内容如下： 1.采用ICP-PVD法制备了一系列ZnO薄膜,确定了该仪器合适的工艺参数范围。在最佳工艺下制备的1mol%Ga掺杂ZnO薄膜结晶质量好,光学可见光平均透过率为93%,电阻率为7.68×10-4Ω.cm。另外研究了沉积氧分压对GZO薄膜的结晶、半导体性能及光学性能的影响。通过GZO薄膜的绿色光致发光分析,提出2.5及2.65eV附近存在两种个相连的施主受主对复合发光,分别对应于跃迁GaZnO+VZn-→GaZn++VZn2-和GaZnO+O1O→GaZn++O1-,并通过薄膜快速退火前后的光致发光全谱给予辅证。 2.研究了ZnO:Al(AZO)及GZO薄膜的透过、半导体性能。在同样的制备工艺及同样的掺杂浓度下,AZO薄膜的导电性能要优于GZO薄膜,这归因于A1的散射半径比Ga小,因此AZO薄膜中的霍尔迁移率更高。而GZO薄膜的透过性能优于AZO薄膜,与掺杂元素的散射无关,归因于Ga元素充当了表面活性剂的作用。GZO薄膜的表面比AZO薄膜光滑,因此漫反射反射更少、透过率更高。提出Ga.Al共掺杂可能会使ZnO材料的电学性能和透过性能得到进一步的提高。Al.Ga掺杂ZnO薄膜材料的禁带宽度均高于本征ZnO,且在同等浓度掺杂下,Ga掺杂ZnO的禁带宽度要比Al掺杂ZnO高0.3eV左右。同步辐射紫外光电子能谱(SRPES)表明两者的能带结构不同,因此AZO与GZO的差别可能归因于Al和Ga的元素掺杂效应不同。Al掺杂能使ZnO价带中2p-3d耦合增强,而Ga掺杂对价带几乎没有影响,因此AZO的价带顶位置相对GZO更高。 3.制备并研究了未退火处理的Al、Ga元素掺杂ZnO/6H-SiC异质结,分析了异质结的结构、界面及能带排列。通过SRPES能谱分析,GZO/6H-SiC异质结的价带能级偏移为1.34±0.04eV,导带的能级偏移为0.93±0.04eV；而AZO/SiC异质结的价带能级偏移为1.78±0.04eV,导带能级偏移为1.4±0.04eV,两者均为ⅡA型异质结结构。同样的制备工艺和掺杂浓度下,GZO/SiC异质结能级偏移与AZO/SiC异质结能级偏移相差约0.4eV,这可能归因于两者界面处晶格失配度变化不同,Ga-O比Al-O更接近Zn-O。另外我们制备了Si面向及C面向的GZO/SiC异质结并获得其能带结构,结果显示Si面向GZO/SiC异质结和C面向GZO/SiC异质结的价带能级偏移相差仅0.05eV。 4.经过快速退火处理后,GZO/SiC异质结界面处的能带结构发生了变化。Si面向GZO/SiC异质结退火后增大0.1eV,而C面向GZO/SiC异质结退火后增大0.25eV。SRPES显示异质结界面出的能谱中出现了类似于SiO2的分量存在。这表明当GZO/SiC异质结经过快速退火处理后,C面向GZO/SiC结构中的氧化程度高于比Si面向GZO/SiC结构,前者类似活性氧化反应,后者类似钝性的氧化反应。该结果也表明快速退火并不适用于ZnO/SiC异质结的制备。 5.电学性能及透过性能测试结果表明SiC衬底上制备的GZO薄膜的透过率约为96%,电阻率约为5.68×10-4Ω.cm,且与SiC之间的接触为欧姆接触,因此能应用为SiC光电器件的透明导电电极。在SiC晶片上沉积GZO薄膜作为SiC光导开关的电极,当外加500V电压,10mJ激光光照时可实现光导开关的导通,导通电阻为13.2Ω。