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镓铟氧化物薄膜和氧化锡薄膜的制备与性质研究

孔令沂  
【摘要】:随着当今透明光电子器件的不断发展,要求透明导电薄膜的透明区域向紫外波段扩展,而且目前光电子学研究的一个重要领域是寻找短波长发光半导体材料。为满足紫外透明光电子器件和紫外半导体发光器件的发展需求,研究新型紫外透明宽带隙半导体薄膜材料具有重要的实际意义。氧化铟(In2O3)和氧化镓(Ga2O3)薄膜都是宽带隙半导体材料,它们的光学带隙分别为3.6 eV和4.9eV。镓铟氧化物[Ga2xIn2(1-x)O3]可以看作由In2O3和Ga2O3材料按照不同比例形成的三元固溶体,Ga2xIn2(1-x)O3薄膜的带隙可以实现在3.6-4.9 eV范围内调制,很有希望作为紫外透明导电薄膜和紫外发光材料得以广泛应用。然而,当前国内外对Ga2xIn2(1-x)O3材料的报道还很少,对Ga2xIn2(1-x)O3薄膜更是缺乏深入而系统的研究。本论文中,首先通过实验探索适合In2O3薄膜和Ga2O3薄膜外延生长的单晶衬底及实验条件;然后在此基础上进行Ga2xIn2(1-x)O3薄膜的制备,并对其结构和光电特性进行研究,为该材料在透明光电子器件领域的应用提供依据或参考。 氧化锡薄膜也是一种有前途的宽带隙透明导电材料,不但具有比GaN和ZnO更宽的带隙和更高的激子束缚能,而且具有制备温度低、物理化学性能稳定等优点。传统方法制备的多晶氧化锡薄膜由于缺陷较多而限制了其在半导体器件领域的应用,因而对高质量氧化锡单晶外延薄膜的制备及光电性质研究十分必要。本文采用的金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法不仅适于制备结构完整的氧化锡单晶薄膜,而且便于商业化生产,具有一定的科学意义和良好的实用前景。 本论文内容分为四部分:第一部分使用MOCVD方法制备In2O3薄膜,并对制备薄膜的结构及光电性质进行了研究;第二部分制备了Ga2O3薄膜并对其性质进行了研究;第三部分在前两部分研究的基础上,展开了Ga2xIn2(1-x)O3(0.1≤x≤0.9)薄膜的制备与性质研究;第四部分对YSZ衬底上正交铌铁矿结构SnO2薄膜的制备与性质进行了研究。 一、使用MOCVD方法,以高纯In(CH3)3(纯度为6N)作为铟金属有机源(MO源)、高纯O2(5N)作为氧化剂,超高纯N2(9N)作为设备的管路载气,在600℃下MgO(100)、α-Al203(0001)和YSZ(100)三种衬底上制备了In203外延薄膜。使用多功能x射线衍射仪和高分辨透射电镜对薄膜的结构特性进行研究分析,分别给出了薄膜外延生长的原理图。在MgO(100)衬底上制备的薄膜内部存在四重畴结构,其面外外延关系为In203(111)||MgO(100),同时面内外延关系为In203[011]||MgO072或In203[011]||MgO011;在α-Al203(0001)衬底上制备的薄膜内部具有双重畴结构,面外外延关系为In203(111)||α-Al203(0001),同时面内外延关系为In203[011]||Al203[0110]或In203[101]||Al203[0110];在YSZ(100)衬底上制备的薄膜是高质量的单晶薄膜,薄膜内部未发现孪晶或畴结构的存在,其面外外延关系为In203(100)||YSZ(100),同时面内具有单一外延取向In2O3[001]||YSZ[001]。因此,同等条件下在YSZ(100)衬底上制备的薄膜具有最好的结晶质量。 在以上分析结果的基础上,使用YSZ(100)衬底分别在450℃、550℃、650℃和750℃衬底温度下制备了单晶In203薄膜,研究了衬底温度对薄膜结构和光电特性的影响。ω摇摆曲线的测试结果显示,在650℃下制备的薄膜具有最好的结晶质量。薄膜的霍尔迁移率在33.3-66.5 cm2V-1S-1之间;载流子浓度在1.5×1019-6.2×1019cm-3之间;电阻率在3.0×10-3-6.3×10-3Ω·cm之间。制备样品在可见光(380-780nm)范围内的平均透过率均超过了74.2%,薄膜的光学带隙值为3.57-3.71eV。 二、实验使用MOCVD方法,以高纯Ga(CH3)3作为镓MO源、高纯O2作为氧化剂,超高纯N2作为设备的管路载气。在650℃衬底温度下分别在MgO(100)、α-Al203(0001)和YSZ(100)衬底上制备了Ga203薄膜。测试结果显示,在YSZ(100)衬底上制备的薄膜为非晶或微晶结构;在α-Al203(0001)衬底上制备的薄膜是平行于β-Ga2O3(201)晶面生长的p-Ga203外延薄膜;在MgO(100)衬底上制备的薄膜是平行于p-Ga203(100)晶面生长的p-Ga203外延薄膜,而且其结晶质量比同等条件下α-Al203(0001)衬底上制备的薄膜要好—些。 在上述实验基础上,选择MgO(100)衬底分别在500℃、550℃、600℃、650℃和700℃温度下制备了Ga203薄膜,研究了衬底温度对制备薄膜的结构和光学特性的影响。在500℃下制备的Ga203薄膜为非晶或微晶结构;而550℃下制备p-Ga203薄膜的晶格常数与标准参考值相差较大;在600-700℃衬底温度范围内制备的β-Ga203薄膜具有良好的结晶质量和相近的晶格常数,其中在650℃下制备薄膜的结晶质量最好。通过薄膜内部结构测试分析,提出了MgO(100)衬底上生长p-Ga203(100)薄膜的外延关系原理图,阐明了薄膜内部具有四重畴结构,其面外外延关系为β-Ga203(100)||MgO(100),面内外延关系为β-Ga203[001]||MgO011。制备的样品在可见光范围内的平均透过率均超过了78.5%,薄膜的光学带隙在4.72-4.92 eV之间。此外,对650℃下制备p-Ga203(100)薄膜的室温光致发光谱进行了测试,并对其发光机制进行了解释。 三、在以上In203薄膜和Ga203薄膜制备和研究的基础上,实验采用高纯In(CH3)3和Ga(CH3)3为MO源,高纯O2作为氧化剂,超高纯N2作为载气,使用MOCVD系统进行了Ga2xIn2(1-x)03薄膜的制备,比较系统的研究了薄膜组分对其性质的影响。 (1)在550℃衬底温度下YSZ(100)上制备了Ga2xIn2(1-x)03(0.1≤x≤0.9)薄膜系列,并对薄膜的结构和光电特性随组分的变化关系进行了研究。结果表明,随镓含量的增加薄膜从多晶结构向非晶或微晶结构转变。随着薄膜样品中镓含量从10%增加到90%,样品的载流子迁移率从42.40 cm2V-1S-1减小到1.96cm2V-1s-1;载流子浓度从6.70×1019cm-3降低到1.68x1018 cm-3;相应的薄膜电阻率从2.20×10-3Ω·cm单调增大到1.90 Q·cm。制备样品在可见光范围内的平均透过率均超过78.2%,随着镓含量从10%增加到90%,薄膜的光学带隙从3.72 eV单调增加到4.46 eV。 (2)在650℃衬底温度下YSZ(100)上制备了Ga2xln2(1-x)03(0.1x≤≤0.9)薄膜,并对薄膜的结构和光电特性随组分的变化关系进行了研究。随着镓含量的增加薄膜从多晶结构向微晶或非晶结构转变,而且制备薄膜的结晶质量与550℃系列相比整体有所提高。随着样品中镓含量从10%增加到90%,载流子的霍尔迁移率从44.04 cm2V-1S-1减小到2.11 cm2V-1S-1;载流子浓度从5.69x 1019 cm-3下降到9.26×1016 cm-3;相应的薄膜电阻率从2.49×10-3 Q.cm单调增大到32.00Ω·cm。与550℃衬底温度下制备的相应样品相比,薄膜的霍尔迁移率均略微高一些,而载流子浓度则明显变小,因而电阻率也相应大一些。该系列样品在可见光范围内的平均透过率均超过73.5%,薄膜的光学带隙随镓含量的增加从3.65 eV单调增大到4.45 eV。 结果显示,在YSZ(100)衬底上制备的高镓含量Ga2xln2(1-x)O3(x=0.7和0.9)薄膜均为微晶或非晶结构,结晶质量较差。 (3)选择适合氧化镓外延生长的MgO(100)作为衬底,在650℃生长温度下制备了高镓含量的Ga2x·In2(1-x)03(x=0.5、0.7和0.9)薄膜,并对薄膜的结构和光学性质进行了研究。随着镓含量的增加,薄膜的结晶特性逐渐从两种材料结晶相并存的混晶结构向β-Ga203单斜晶系结构转变,其中Ga1.8In0.2O3薄膜为单斜晶型的外延薄膜。进一步的测试分析表明,制备的Ga1.8In0.2O3薄膜内部具有四重畴结构,外延机制与MgO(100)衬底上制备p-Ga203薄膜相同。制备的三个薄膜样品均显示高阻性。镓设定含量为χ=0.5、0.7和0.9的样品在可见光范围内的平均透过率均超过了82.3%,光学带隙值分别为4.74 eV、4.79 eV和4.83 eV。 四、实验采用高纯Sn(C2H5)4(6N)为MO源、高纯O2作为氧化剂、超高纯N2作为载气,使用MOCVD系统在YSZ(100)、YSZ(110)和YSZ(120)衬底上,分别采用不同的衬底温度制备了Sn02薄膜系列,对制备薄膜的结构和光电特性进行了研究。 (1)分别在500℃、600℃、700℃和800℃下YSZ(100)衬底上制备了Sn02薄膜。结构分析显示,在500℃和600℃衬底温度下制备的薄膜是正交铌铁矿结构的C-SnO2(100)外延薄膜,而在700℃和800℃下制备的薄膜为铌铁矿结构与金红石结构两种结晶相并存的混相结构。通过对外延薄膜内部结构的分析,提出了YSZ(100)衬底上生长C-SnO2(100)薄膜的外延关系原理图,阐明了薄膜内部具有两重畴结构,并提出其面外外延关系为C-SnO2(100)‖YSZ(100),同时面内外延关系为C-SnO2[001]‖YSZ001.电学特性测试结果显示,随着衬底温度从500℃升高到800℃,薄膜的载流子迁移率在19.7-21.87 cm2V-1S-1范围内大致呈下降趋势;载流子浓度从1.15×1019 cm-3单调升高到2.68×1019 cm-3;电阻率则从2.48x10-2Ω·cm单调减小到1.16×10-2Ω·cm。四个样品在可见光范围内的平均透过率均超过了70.3%,薄膜的光学带隙在3.75-3.87 eV之间。 (2)分别在500℃、600℃和700℃的衬底温度下,使用YSZ(110)衬底制备了Sn02薄膜。所制备的薄膜均为金红石结构与铌铁矿结构两种结晶相并存的混相结构,但在不同生长温度下制备的薄膜具有不同的结晶择优取向。随着衬底温度从500℃升高到700℃,薄膜中载流子的霍尔迁移率从17.61 cm2V-1S-1降低到13.35 cm2V-1S-1;载流子浓度从1.28×1019cm-3升高到2.18×1019 cm-3;薄膜的电阻率从2.51×10-2Ω·cm减小到1.94×10-2Ω·cm。三个样品在可见光范围内的平均透过率均超过了76.7%,薄膜的光学带隙值约为3.8 eV。 (3)分别在500℃、600℃、700℃和750℃的衬底温度下,在YSZ(120)衬底上制备了Sn02薄膜,并对薄膜的结构和光电特性进行了研究。结果显示,在500℃和600℃衬底温度下制备的薄膜可能为非晶或微晶结构;在700℃下制备的薄膜为高质量的铌铁矿结构C-SnO2(120)无畴单晶薄膜;当温度进一步升高到750℃时,制备的薄膜为金红石结构R-SnO2(411)单一取向薄膜,但是该晶面XRD衍射峰的强度非常弱。通过对C-SnO2(120)薄膜内部结构的测试分析,提出了其外延生长的原理图,并得出其面外外延关系为C-SnO2(120)‖YSZ(120),同时面内具有单一外延取向C-SnO2[001]‖YSZ[001]。薄膜的载流子迁移率随着衬底温度的升高而呈增大趋势,在700℃时达到26.10 cm2V-1S-1,而后在750℃时回降到22.63cm2V-1s-1;载流子浓度在1.36×1019-5.40×1019 cm-3之间;相应的薄膜电阻率在8.0×10-3-1.92x10-2Ω·cm之间。500℃、600℃、700℃和750℃衬底温度下制备的样品在可见光范围内的平均透过率分别为74.4%、77.7%、81.6%和81.0%,薄膜的光学带隙值分别为3.68 eV、3.73 eV、3.74 eV和3.76 eV。


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