碳化硅和藍(lán)寶石襯底二氧化錫外延薄膜的制備及特性研究.pdf

1、寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料由于具有優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，因而在發(fā)光二極管、激光器、薄膜太陽(yáng)能電池、透明薄膜晶體管、紫外探測(cè)器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。SnO2薄膜是一種多功能的透明氧化物半導(dǎo)體材料，具有制備溫度低、熱穩(wěn)定性高和物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被應(yīng)用于透明導(dǎo)電電極、太陽(yáng)能電池、氣敏傳感器及建筑玻璃等方面。另外，SnO2薄膜由于具有較寬的帶隙和較大的激子束縛能，因此還是一種很有前途的紫外發(fā)光材料。用傳統(tǒng)方法制備的SnO2薄膜大部分為

2、多晶，不僅結(jié)晶質(zhì)量較差，含有很多缺陷，而且存在晶粒粗化現(xiàn)象，因此不適合制作高品質(zhì)的光電器件。相比之下，SnO2外延薄膜的結(jié)構(gòu)更加均勻，光電性質(zhì)更加優(yōu)良，物理化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定，不僅能用來(lái)制作高性能的半導(dǎo)體器件，還能提供結(jié)構(gòu)均勻的表面用于對(duì)SnO2表面和界面的理論研究。本論文使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法在碳化硅和藍(lán)寶石襯底上制備了不同取向的SnO2外延薄膜，并且系統(tǒng)研究了它們的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)，不僅具有重要的科學(xué)意義還具有廣闊的應(yīng)用前景。

3、r>　　 本論文主要的研究工作及結(jié)果如下:
　　 1.采用高純Sn(CH3)4為Sn的有機(jī)(MO)源，高純O2為氧化劑，超高純N2為載氣，在500℃、600℃、700℃和750℃下6H-SiC(0001)襯底上分別制備了SnO2薄膜。測(cè)試結(jié)果表明所制備的薄膜均為金紅石結(jié)構(gòu)。500℃和600℃制備的SnO2薄膜沿[100]單一取向生長(zhǎng)，當(dāng)襯底溫度升高到700℃和750℃時(shí)，SnO2薄膜變?yōu)槎嗑?。其?00℃下制備的SnO2薄膜結(jié)

4、晶質(zhì)量最好。隨著襯底溫度的升高，SnO2薄膜內(nèi)部的氧空位減少，晶格常數(shù)增大。由于SnO2和6H-SiC具有不同的晶體結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性，SnO2薄膜中出現(xiàn)了相互扭轉(zhuǎn)120°的三重疇結(jié)構(gòu)。薄膜和襯底的面內(nèi)外延關(guān)系為SnO2[010]//SiC<10(1-)0>和SnO2[001]//SiC<1(2-)10>，其晶格失配沿SnO2[010]方向?yàn)?11.07％，沿SnO2[001]方向?yàn)?.57％。SnO2在6H-SiC上的異質(zhì)外延可看成是近似六

5、方密堆積排列的延續(xù)，只不過(guò)是O原子占據(jù)了Si原子的位置。當(dāng)襯底溫度從500℃升高到750℃時(shí)，SnO2薄膜的載流子濃度從1.1×102cm-3遞減至1.6×1018cm-3，而電阻率從0.01Ωcm升高到0.57Ωcm。600℃制各樣品的霍爾遷移率為12.7cm2V-1s-1。在可見(jiàn)光范圍，6H-SiC襯底的平均透過(guò)率約為60％，而薄膜樣品的平均透過(guò)率均大于60％，并且最高的達(dá)到75％，這說(shuō)明SnO2薄膜對(duì)6H-SiC襯底起著增透作用。

6、
　　 2.以R面藍(lán)寶石為襯底，在500℃、550℃、600℃和700℃下分別制備了金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2薄膜。其中，500℃和550℃下制備的SnO2薄膜為多晶。當(dāng)薄膜的制備溫度升高到600℃和700℃時(shí)，SnO2薄膜垂直于(101)晶面單一取向生長(zhǎng)。隨著襯底溫度的升高，SnO2薄膜的結(jié)晶質(zhì)量不斷提高，并且晶格常數(shù)增大。700℃制備的SnO2薄膜表面致密，并且不含(101)孿晶。SnO2薄膜和R面藍(lán)寶石的面內(nèi)取向關(guān)系是SnO2[

7、010]//Al2O3[1(2-)10]和SnO2[10(1-)]//Al2O3[10(1-)1]，其晶格失配沿SnO2[010]方向?yàn)?0.42％，沿SnO2[10(1-)]方向?yàn)?1.31％。當(dāng)襯底溫度從500℃升高至700℃時(shí)，載流子濃度從7.7×1018cm-3單調(diào)遞減至1.6×1016cm-3，霍耳遷移率從7.4cm2V-1s-1單調(diào)遞增至28.1cm2V-1s-1，電阻率從0.11Ωcm單調(diào)遞增至14.22Ωcm。500℃、

8、550℃、600℃及700℃制備的SnO2薄膜的光學(xué)帶隙分別為3.88eV、3.80eV、3.75eV和3.96eV，可見(jiàn)光區(qū)薄膜樣品的平均透過(guò)率為78％。室溫下，500℃制備的SnO2薄膜僅在530nm附近出現(xiàn)了一個(gè)氧空位等缺陷引起的寬發(fā)光峰。隨著襯底溫度的升高，這個(gè)發(fā)光峰的強(qiáng)度減弱并且峰值發(fā)生紅移。對(duì)于700℃制備的SnO2薄膜，缺陷發(fā)光峰移動(dòng)到605nm附近，并且還在紫外區(qū)333nm附近出現(xiàn)了一個(gè)強(qiáng)的帶邊發(fā)光峰。低溫測(cè)試時(shí)，紫外發(fā)

9、光峰發(fā)生藍(lán)移，但強(qiáng)度基本不變。我們把它歸因于薄膜內(nèi)部的局域激子復(fù)合。另外，在13K時(shí)480nm附近還出現(xiàn)了一個(gè)由氧空位深能級(jí)引起的強(qiáng)發(fā)光峰。
　　 3.以A面藍(lán)寶石為襯底，在500℃、600℃和700℃下分別制備了金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2薄膜。500℃制備的SnO2薄膜為多晶并且結(jié)晶較差，600℃及700℃制備的薄膜垂直于(101)晶面單一取向生長(zhǎng)。SnO2薄膜和A面藍(lán)寶石的面內(nèi)取向關(guān)系是SnO2[010]//Al2O3[0001]

10、和SnO2[10(1-)]//Al2O3[1(1-)00]，其晶格失配沿SnO2[010]方向?yàn)?.47％，沿SnO2[10(1-)]方向?yàn)?.81％。SnO2外延薄膜中出現(xiàn)了三種{101}孿晶，其中(101)孿晶邊界平行于襯底表面，而(10(1-))孿晶邊界與襯底表面呈68°角。這些孿晶使SnO2薄膜晶格發(fā)生扭曲，導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)方向發(fā)生偏差并在表面形成很多傾斜的臺(tái)階。
　　 4.以M面藍(lán)寶石為襯底，在500℃、600℃、700℃

11、和750℃下分別制備了金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2薄膜。500℃制備的SnO2薄膜是(301)擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的，薄膜結(jié)晶質(zhì)量較差。當(dāng)襯底溫度升高到600℃和700℃時(shí)，SnO2薄膜沿[001]單一取向生長(zhǎng)。750℃制備的SnO2薄膜又變?yōu)槎嗑ЫY(jié)構(gòu)。其中，700℃制備的SnO2薄膜結(jié)晶質(zhì)量最好。SnO2薄膜和M面藍(lán)寶石的面內(nèi)取向關(guān)系是SnO2[010]//Al2O3[0001]和SnO2[100]//Al2O3[1(2-)10]，其晶格失配沿SnO

12、2[010]方向?yàn)?.47％，沿SnO2[100]方向?yàn)?0.42％。在可見(jiàn)光區(qū)，薄膜樣品的平均透過(guò)率為80％。700℃制備的SnO2薄膜在600nm附近有一個(gè)寬的發(fā)光峰。在13K時(shí)，一個(gè)新的寬發(fā)光峰出現(xiàn)在480nm附近。我們分別把這兩個(gè)發(fā)光峰歸因?yàn)楸∧?nèi)部氧空位形成的不同能級(jí)的發(fā)光。
　　 通過(guò)薄膜結(jié)構(gòu)的測(cè)試和分析，提出了SnO2薄膜在R、A和M面藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)的表面原子結(jié)構(gòu)模型。SnO2薄膜能在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)的主

13、要原因是它們具有相似的氧原子排列。
　　 5.在以上研究的基礎(chǔ)上，我們采用高純Sn(CH3)4為Sn的MO源，高純Sb(CH3)3為Sb的MO源，高純O2為氧化劑，超高純N2為載氣，在6H-SiC(0001)和R面藍(lán)寶石襯底上600℃下制備了不同Sb摻雜濃度的SnO2薄膜。所有SnO2∶Sb薄膜均具有金紅石結(jié)構(gòu)并保持原有取向生長(zhǎng)。Sb在SnO2薄膜中構(gòu)成替位式摻雜。SnO2∶Sb薄膜均為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體，低溫下以電離雜質(zhì)散射為主，高溫

14、下以品格振動(dòng)散射為主。對(duì)于R面藍(lán)寶石襯底的SnO2∶Sb薄膜，隨著Sb摻雜濃度的增加，薄膜中(101)孿晶的含量變少。在5％摻雜濃度下，SnO2∶Sb薄膜的電阻率最小，為1.3×10-3Ωcm，載流子濃度最大，為2.5×1020cm-3。在可見(jiàn)光區(qū)，SnO2∶Sb薄膜樣品的平均透過(guò)率約為80％。0％、1％、3％、5％和7％Sb摻雜濃度的SnO2薄膜的帶隙分別為3.77eV、3.86eV、3.96eV、4.10eV和4.11eV。隨著Sb