新型SnO2基透明導(dǎo)電薄膜及其二極管的研究.pdf

1、透明導(dǎo)電氧化物薄膜(TCO)既具有優(yōu)良的金屬導(dǎo)電性，又具有可見光范圍的高透明性，已經(jīng)成為平板顯示器、太陽能電池和透明電子器件中不可或缺的材料。其中ITO(In2O3：Sn)薄膜足目前市場上應(yīng)用最為廣泛的TCO薄膜，隨著太陽能電池和平板顯示產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，銦資源短缺和價格高昂的問題越發(fā)突出，尋求ITO替代材料的需求日益加大；目前應(yīng)用于太陽能電池的透明窗口電極材料大多為近紅外高反射TCO薄膜，這就阻止了對占太陽能總能量52％的近紅外區(qū)域能量

2、的有效且充分的利用；透明電子學(xué)的出現(xiàn)對TCO薄膜材料和透明氧化物半導(dǎo)體(TOS)薄膜材料提出了更高的要求，需要光學(xué)和電學(xué)性能優(yōu)良的新型TCO和TOS薄膜。
　　針對這些問題和需求，本論文研究開發(fā)了新型非品和多品摻鎢氧化錫(SnO2：W)透明導(dǎo)電薄膜，系統(tǒng)研究了其電學(xué)和光學(xué)性能及其與脈沖等離子體沉積技術(shù)(pulsed plasma deposition，PPD)各種制備參數(shù)之間的關(guān)系；確立了制備優(yōu)良光學(xué)和電學(xué)性能的SnO2：W薄膜的

3、條件；采用更具生產(chǎn)性的sol-gel法研制了SnO2：W薄膜，溥膜不僅表面平整，而且光學(xué)透明性得到了很大提高，揭示了其在太陽能電池領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，同時捉出了溶膠配制過程中可能的反應(yīng)機(jī)理；采用第一性原理對SnO2：W進(jìn)行了理論計算，闡明了W摻朵SnO2：W薄膜具有優(yōu)良電學(xué)性能的機(jī)制：研究開發(fā)了p型導(dǎo)電NiO：Li透明氧化物半導(dǎo)體薄膜，探索性研制了NiO：Li/SnO2：W透明二極鈴，揭示了SnO2：W薄膜應(yīng)用于透明電子器件的可能性

4、。本文利用多種表征手段(如XRD、AFM、XPS、SEM、EDS、IR、Raman、臺階儀、Hall效應(yīng)測試等)對所有制備的薄膜進(jìn)行了詳盡細(xì)致的分析和探討，研究結(jié)果表明：
　　在采用PPD法制備薄膜的過程中，先是采用詎氬共摻氣體，在較低溫度下制備了非晶SnO2：W薄膜，研究了鎢摻雜含量和詎分壓對薄膜電學(xué)和光學(xué)性能等的影響，薄膜的最低電阻率達(dá)到2.1×10-3 ohm·cm，對應(yīng)的載流子濃度和載流子遷移率分別為9.6×1019 cm

5、-3和30 cm2V-1s-1，可見光區(qū)的平均透射率超過80％，薄膜的方均根粗糙度和平均粗糙度分別為15.7nm和11.9nm。
　　為進(jìn)一步降低薄膜的電阻率，采用PPD法室溫下在純氬氣體中沉積出SnO2：W薄膜，后經(jīng)退火處理，薄膜的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)均得到明顯提高，最低電阻率可達(dá)6.7×10-4 ohm·cm，對應(yīng)載流子濃度和載流子遷移率分別為1.44×1020cm-3和65 cm2V-1s-1，溥膜在可見光和近紅外區(qū)的透射率分別為

6、86％和85％，研究了鎢摻雜含量和退火溫度對薄膜電學(xué)性能、光學(xué)性能、結(jié)構(gòu)和表面粗糙度的影響，并通過分析薄膜中各元素的化合價態(tài)討論了薄膜的導(dǎo)電機(jī)理。
　　在SnO2：W薄膜中，W原子替代了SnO2晶格中的Sn原子的位置，沒有新的化合物相生成，也沒有改變SnO2的金紅石結(jié)構(gòu)。W在薄膜中以W6+形式存在，W替代Sn位置貢獻(xiàn)了兩個自由電子，這是薄膜導(dǎo)電性增加的主要原因，而ITO薄膜中Sn取代In位置只多出一個電子，所以SnO2：W薄膜中W

7、作為摻雜劑的效率較高。即要得到相同載流子濃度的薄膜，SnO2：W中摻W所需的摻雜量比SnO2：Sb，In2O3：Sn或ZnO：Al(其價態(tài)差僅為1)等中的摻雜量都更少，這使得引入的離子雜質(zhì)缺陷減少，載流子散射中心減少，有利于提高薄膜的載流子遷移率。
　　采用sol-gel法，以SnCl2·2H2O和WCl6為先驅(qū)物，經(jīng)過溶膠配制、浸漬提拉、干燥退火等步驟在石英襯底上制備了大面積均勻?qū)щ姷腟nO2：W透明導(dǎo)電薄膜，薄膜最低電阻率為5

8、.8×10-3 ohm·cm，對應(yīng)載流子濃度和載流子遷移率分別為7.6×1019 cm-3弓和14.2 cm2V-1s-1，盡管薄膜的電學(xué)性質(zhì)有待于進(jìn)一步提高，但sol-gel法相對于PPD法具有設(shè)備廉價、成膜厚度均勻等的優(yōu)點，且薄膜在可見光和近紅外區(qū)的光學(xué)透射率達(dá)到90％，薄膜的平均粗糙度約為1.8nm。
　　對于sol-gel制備的薄膜，隨著鎢摻雜含量的增加，薄膜的XRD衍射峰強(qiáng)度變?nèi)?，甚至變寬，?dāng)摻雜含量較大時，薄膜中出現(xiàn)微

9、小的非晶顆粒，這使得薄膜的粗糙度減小，在W摻雜含量分別為0，1，3，5 at.％時，薄膜的平均粗糙度分別為1.92nm，1.87nm，1.82nm，1.61nm。同時也說明采用sol-gel法制備薄膜的過程中，摻雜含量較高使薄膜的結(jié)晶性變差。
　　SnO2：W透明導(dǎo)電薄膜的第一性原理計算結(jié)果表明，未摻雜的SnO2的價帶頂主要源于O的2p態(tài)的貢獻(xiàn)，導(dǎo)帶底主要源于Sn的5s態(tài)的貢獻(xiàn)；摻雜后SnO2：W的導(dǎo)帶底主要源于摻雜原子W的5d態(tài)

10、的貢獻(xiàn)；W是提高SnO2導(dǎo)電性有利的摻雜元素。
　　以固態(tài)反應(yīng)法制備了p型導(dǎo)電性較好的摻鋰氧化鎳靶材，采用PPD技術(shù)在玻璃襯底上沉積了p型透明導(dǎo)電NiO：Li薄膜，薄膜電導(dǎo)率可達(dá)15 S·cm-1，載流子濃度變化范圍為2.98×1020 cm-3～2.1×1020 cm-3，遷移率變化范圍為0.3～0.422，一般文獻(xiàn)報道的p型導(dǎo)電薄膜的載流子濃度的為1018 cm-3、1019 cm-3量級甚至更低，可見此法制備的p型NiO：L