TiO2、MgO基底氧化錫外延薄膜的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)研究.pdf

1、隨著第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展，寬帶隙氧化物半導(dǎo)體材料成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。寬帶隙氧化物半導(dǎo)體材料是制備透明及紫外光電子器件的非常具有潛力的重要材料，極具開(kāi)發(fā)和應(yīng)用價(jià)值，是目前國(guó)際上熱門(mén)的前沿研究領(lǐng)域之一。SnO2材料是具有直接帶隙的透明氧化物半導(dǎo)體材料，室溫下帶隙寬度為3.6eV，激子束縛能為130meV。與第三代半導(dǎo)體材料代表GaN和ZnO相比，SnO2具有更寬的帶隙和更高的激子束縛能，是一種非常有前途的透明和紫外光電器件材料。長(zhǎng)期

2、以來(lái)，人們對(duì)SnO2的研究主要圍繞著透明導(dǎo)電膜和化學(xué)氣敏傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用，但是，近年來(lái)，制備高結(jié)晶質(zhì)量SnO2材料，研究其結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)的研究越來(lái)越多，以期在透明和紫外光電器件領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的制備方法（如濺射、熱解等）所制備的SnO2薄膜缺陷較多，因而限制了其在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的應(yīng)用，所以近年來(lái)人們制備研究高質(zhì)量SnO2材料多采用外延生長(zhǎng)方法（如PLD、ALD和CVD等）。在這樣的背景下，本論文采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法適合

3、制備結(jié)構(gòu)完整的SnO2外延薄膜，且具有可商業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，具有一定的科學(xué)意義和良好的應(yīng)用前景。
　　 本論文主要分為兩大部分:第一部分采用MOCVD方法在TiO2(001)和MgO(100)襯底上制備出了SnO2外延薄膜，并對(duì)所制備薄膜的結(jié)構(gòu)及光電性質(zhì)進(jìn)行了研究;第二部分制備了Sb摻雜的SnO2外延薄膜，系統(tǒng)的研究了薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。
　　 第一部分的主要工作和結(jié)果如下:
　　 實(shí)驗(yàn)采用MOCVD方法，

4、以高純Sn(C2H5)4（純度為6N）為MO源，高純O2(5N)為反應(yīng)氧源，超高純度的N2(9N)為設(shè)備載氣，分別在TiO2(001)和MgO(100)襯底上制備了不同襯底溫度下生長(zhǎng)的SnO2薄膜系列，對(duì)制備薄膜的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　 1.分別在襯底溫度為500℃、600℃和700℃下，在TiO2(001)襯底上制備了SnO2薄膜。結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，不同襯底溫度下制備的薄膜均為四方金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2薄膜，且具有

5、[001]方向的單一取向。通過(guò)對(duì)薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，確定薄膜的面外外延關(guān)系為SnO2(002)∥TiO2(002);面內(nèi)外延關(guān)系為SnO2[010]//TiO2[010]和SnO2[100]//TiO2[100]。光學(xué)特性測(cè)試結(jié)果表明，不同襯底溫度下制備的樣品在可見(jiàn)光區(qū)的平均透過(guò)率為68％，均超過(guò)了襯底本身的透過(guò)率66％，具有增透效應(yīng)。600℃襯底溫度下制備的樣品在室溫下的光致發(fā)光譜測(cè)量，在615nm附近發(fā)現(xiàn)一條比較寬的發(fā)光帶，經(jīng)分析為

6、氧空位和缺陷能級(jí)引起的。
　　 2.分別在襯底溫度為500℃、550℃、600℃和700℃下，在MgO(100)襯底上制備出了SnO2薄膜，XRD和HRTEM結(jié)果分析表明，所制備薄膜均為四方金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2薄膜，且具有[110]方向的單一取向。對(duì)薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了在MgO(100)襯底上制備SnO2(110)薄膜的外延關(guān)系原理圖，薄膜生長(zhǎng)內(nèi)部具有兩重疇結(jié)構(gòu)，并且與MgO[100]是偏轉(zhuǎn)45℃角，沿MgO[110]

7、方向生長(zhǎng)的，薄膜與襯底的面外外延關(guān)系為SnO2(110)//MgO(100)，面內(nèi)外延關(guān)系為SnO2[110]//MgO[011]，SnO2[001]//MgO[011]。薄膜電學(xué)性質(zhì)測(cè)量結(jié)果表明，600℃襯底溫度下制備的薄膜的遷移率最大為17.1cm2·v-1·s-1，載流子濃度最小為2.9×1018cm-3，相應(yīng)的電阻率為0.126Ω·cm。光學(xué)測(cè)試分析表明，600℃襯底溫度下制備的薄膜樣品在可見(jiàn)光區(qū)（380nm-780nm）的平均

8、透過(guò)率超過(guò)了77％，薄膜的光學(xué)帶隙為3.93eV。
　　 第二部分的主要工作和結(jié)果如下:
　　 實(shí)驗(yàn)采用MOCVD方法，以高純Sn(C2H5)4(6N)和高純Sb(CH3)3(6N)為MO源，高純O2(5N)為反應(yīng)氧源，超高純度的N2(9N)為設(shè)備載氣，分別在TiO2(001)和MgO(100)襯底上制備了不同Sb摻雜比例的的SnO2∶Sb薄膜系列，對(duì)不同摻雜比例對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　

9、 1.在600℃的襯底溫度下在TiO2(001)襯底上制備了不同Sb摻雜比例(1％、3％、5％和7％)的SnO2∶Sb薄膜。XRD和SEM分析結(jié)果表明，制備的薄膜均為四方金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2薄膜，且具有[001]方向的單一取向，除了SnO2(001)面衍射峰外，并未出現(xiàn)Sb2O3和Sb2O5的衍射峰，說(shuō)明Sb元素的摻雜，并未改變薄膜的結(jié)構(gòu)。隨著Sb摻雜比例的增加至7％，薄膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷Щ蚨嗑ЫY(jié)構(gòu)。光學(xué)透過(guò)譜顯示，SnO2∶Sb樣品在可

10、見(jiàn)光區(qū)的透過(guò)率仍然高于襯底TiO2的透過(guò)率，具有增透效應(yīng)。SnO2薄膜的電學(xué)性質(zhì)隨Sb摻雜濃度的變化關(guān)系為:隨著Sb摻雜濃度由0％增加至7％時(shí)，霍爾遷移率由18.1cm2·v-1·s-1單調(diào)遞減至3.4cm2·v-1·s-1。隨著Sb摻雜濃度由0增至3％，載流子濃度由2.6×1019cm-3增大至4.1×1020cm-3，而當(dāng)Sb濃度繼續(xù)增加至7％時(shí)，載流子濃度緩慢減小至2.2×1020cm-3。與此相反，隨著Sb摻雜濃度的增加，薄膜的

11、電阻率先快速減小，后緩慢增加。薄膜樣品的電學(xué)性質(zhì)變化主要與薄膜的電離雜質(zhì)散射和品格散射有關(guān)。Sb摻雜濃度為3％的薄膜樣品具有最佳的電學(xué)性能，室溫下其電阻率、載流子濃度和霍爾遷移率分別為2.3×10-3Ω·cm、4.1×1020cm-3和6.9cm2·v-1·s-1。
　　 2.在600℃的襯底溫度下在MgO(100)襯底上制備了不同Sb摻雜比例(1％、3％、5％、7％和10％)的SnO2∶Sb薄膜。XRD測(cè)試結(jié)果表明，薄膜都只具

12、有SnO2[110]方向的單一取向。光學(xué)透過(guò)譜顯示，不同Sb摻雜濃度樣品的透過(guò)率均超過(guò)了77％，當(dāng)Sb摻雜濃度由1％增加至7％時(shí)，薄膜帶隙由3.98eV增加至4.13eV，當(dāng)Sb摻雜濃度繼續(xù)增大至10％時(shí)，帶隙降為4.10eV，這種變化趨勢(shì)可以根據(jù)Burstein-Moss移動(dòng)來(lái)解釋。隨著Sb濃度的增加，樣品的載流子濃度有所增加，所以帶隙變寬。SnO2薄膜的電學(xué)性質(zhì)隨Sb摻雜濃度的變化關(guān)系為:隨著Sb摻雜濃度由0％增加至10％時(shí)，霍爾遷

13、移率由17.1cm2·v-1·s-1單調(diào)遞減至6.3cm2·v-1·s-1。隨著Sb摻雜濃度由0增至3％，載流子濃度由2.9×1018cm-3增大至5.4×1020cm-3，而當(dāng)Sb濃度繼續(xù)增加至7％時(shí)，載流子濃度緩慢減小至5.1×1020cm-3。與此相反，隨著Sb摻雜濃度的增加，薄膜的電阻率先快速減小，后略有增加。Sb摻雜濃度為3％的薄膜樣品具有最佳的電學(xué)性能，室溫下其電阻率、載流子濃度和霍爾遷移率分別為1.2×10-3Ω·cm、5