高質(zhì)量氧化亞銅薄膜及其相關(guān)功能器件的制備與性質(zhì)研究.pdf

1、氧化亞銅(Cu2O)為一種本征p型無機(jī)半導(dǎo)體材料，因其具有高光學(xué)吸收系數(shù)和空穴遷移率、制備工藝簡單、儲(chǔ)備豐富和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，太陽能電池和薄膜晶體管等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。然而，目前報(bào)道的Cu2O基太陽能電池和薄膜晶體管的性能均不夠理想，這主要是由于其Cu2O薄膜的晶體生長方向、微觀結(jié)構(gòu)以及載流子的產(chǎn)生和輸運(yùn)不能被很好的調(diào)控，從而導(dǎo)致薄膜的結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)仍有待提高。因此，通過探索和研究新的薄膜生長工藝，獲得兼具低電阻率和高霍爾遷移率的

2、高質(zhì)量Cu2O薄膜，是提高Cu2O基功能器件性能的必要條件。在上述背景下，本論文開展了對脈沖激光沉積(PLD)法高質(zhì)量Cu2O及其薄膜晶體管的研究。本論文主要的研究工作及結(jié)果如下:
　　(1)PLD法生長Cu2O薄膜的基礎(chǔ)工藝探索
　　研究了PLD沉積過程中羽輝粒子和的擴(kuò)散傳播方式，發(fā)現(xiàn)液滴的擴(kuò)散傳播比羽輝粒子更為密集的約束在靶材法向上，因此將襯底放置在與羽輝擴(kuò)散不同軸處可以有效的減少薄膜上液滴的數(shù)量。另外由于羽輝粒子的有效

3、擴(kuò)散傳播距離要大于液滴顆粒，所以增加靶材和襯底之間的距離也可以減少液滴的數(shù)量。最后，通過掃描電鏡觀測薄膜微觀形貌和電學(xué)性能測試，發(fā)現(xiàn)較大的激光能量密度下制備薄膜的質(zhì)量更好。
　　(2)高質(zhì)量單晶Cu2O薄膜的制備及其性質(zhì)研究
　　通過調(diào)節(jié)PLD生長時(shí)的氧氣壓強(qiáng)在MgO(110)襯底上制備出了兼具低電阻率和高遷移率的單晶Cu2O薄膜。X射線衍射(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)的測試結(jié)果表明在氧氣壓強(qiáng)0.06和0.09Pa條

4、件下生長的薄膜為純相Cu2O，并且在0.09Pa條件下生長的高質(zhì)量Cu2O和襯底的外延關(guān)系為Cu2O(110)∥MgO(110)以及Cu2O(001)∥MgO(001)。0.09Pa條件下制備的Cu2O薄膜具有較高的透過率和2.56eV的光學(xué)帶隙。通過霍爾測試可知，在0.09Pa條件下制備的Cu2O薄膜具有目前報(bào)道的最低的電阻率6.67Ωcm以及較高的霍爾遷移率23.75cm2v-1s-1。
　　(3)具有多重疇結(jié)構(gòu)的Cu2O薄膜

5、的制備及其性質(zhì)研究
　　用PLD法在摻銥氧化鋯(YSZ)(100)襯底上生長了Cu2O薄膜，詳細(xì)研究了不同氧氣壓強(qiáng)對于薄膜性質(zhì)的影響。薄膜的表面形貌、物相和晶體結(jié)構(gòu)受到氧氣壓強(qiáng)明顯的影響。0.09Pa下制備的薄膜為純相Cu2O并且具有最好的結(jié)晶質(zhì)量，其面外外延關(guān)系為Cu2O(110)∥YSZ(100)并且存在了六重疇結(jié)構(gòu)，與之相關(guān)的面內(nèi)外延關(guān)系也被清晰的推斷得出。0.09Pa下制備的Cu2O薄膜具有最低的電阻率13.4Ωcm和最高

6、的霍爾遷移率16.3cm2v-1s-1。在0.02-0.12Pa的氧氣壓強(qiáng)下，薄膜的光學(xué)帶隙在2.37到2.57eV的范圍內(nèi)變化。
　　(4)基于氧化亞銅的薄膜晶體管的制備與性能研究
　　在SiO2/Si襯底上以PLD法生長的Cu2O薄膜作為有源層，以Au作為電極，制備出了底柵頂接觸結(jié)構(gòu)的p型Cu2O薄膜晶體管。通過對Cu2O TFT的溝道進(jìn)行適當(dāng)?shù)腘2等離子體處理，可以在一定程度上調(diào)控有源層的載流子濃度，提高器件的開關(guān)比。