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    p型Cu1-xNixO透明氧化物半导体薄膜的制备及性能号分析

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    内容提示: 复旦大学硕士学位论文p型Cu1-xNixO透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析姓名:施展申请学位级别:硕士专业:信息功能材料与器件指导教师:张群20090518 信息功能材料与器件硕士学位论文pCul .,N i 。o透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析覆旦上肇摘要本文采用固态反应法成功制备了过渡金属氧化物CuO 和N i O 的混合物Cul .。N i xO 靶材,并首次使用脉冲等离子体沉积方法(Pul sedPl asm aD eposi ti on,PPD)在普通玻璃衬底上制备了相应的Cul .xN i 。O l +5薄膜。对制备的靶材与薄膜,分别用Seebeck系数、表面轮廓仪、可见光分光光度计等设备方法测试其电学和光学...

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    复旦大学硕士学位论文p型Cu1-xNixO透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析姓名:施展申请学位级别:硕士专业:信息功能材料与器件指导教师:张群20090518 信息功能材料与器件硕士学位论文pCul .,N i 。o透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析覆旦上肇摘要本文采用固态反应法成功制备了过渡金属氧化物CuO 和N i O 的混合物Cul .。N i xO 靶材,并首次使用脉冲等离子体沉积方法(Pul sedPl asm aD eposi ti on,PPD)在普通玻璃衬底上制备了相应的Cul .xN i 。O l +5薄膜。对制备的靶材与薄膜,分别用Seebeck系数、表面轮廓仪、可见光分光光度计等设备方法测试其电学和光学性能,利用XRD、AFM 、SEM 等手段分析其结构和表面形貌。在分析测试的基础上完成了靶材成分优化设计,PPD工艺参数优化设计和退火处理对薄膜性能影响等方面的研究工作。采用固相反应法制备的一系列Cut.xN i 。O 靶材在室温下均为P型导电。XRD结果显示Cul .xN i xO 靶材具有CuO 和N i O 的混合相。Cul .xN i xO 靶材的电阻率随x的增大先减小后增大,在x>0.9后又减小。靶材成分优化结果表明Cuo.95N i o.∞O 靶材的电阻率最小,为256fl cm 。使用Cuo.9sN i o.050靶材制备P型掺镍氧化铜TO S薄膜.研究发现氧气压强。在2.6pa一-3.4 Pa范围内变化时薄膜电导率先增加后下降,提高工作电压有利于提高薄膜电导率,而变化工作电流对薄膜电导率影响不大。退火处理后薄膜的可见光平均透射率从65%提高到74%。在基板温度30℃、氧气压强3.0 Pa、工作电压.18 kV、工作电流4.5 m A、烧蚀时间20 rai n条件下制备的薄膜电导率最高,达到7.1 Scm l ,可见光透射率约为65%。使用N i o.9Cuo.IO 靶材制备P型掺铜氧化镍TO S薄膜。研究发现氧气压强在2.6 Pa~3.4 Pa范围内变化时薄膜电导率随氧气压强增加而增大。退火处理后薄膜的可见光平均透射率从71%提高到85%。在基板温度30℃、氧气压强3.4Pa、工作电压.18kV、工作电流4.5 m A、烧蚀时间20 rai n条件下制备的N i o.9ELi 0.IO l 4吾薄膜电导率最高,达到1.4 Scrn"1,可见光透射率约为71%。研究结果表明,Cl l l .xN i xO (0Sx S 1) 材料体系是一种新型的P型导电透明氧化物半导体材料,显示出相对良好的光学和电学性能,值得进一步研究和关注。关键词:P型TO S薄膜氧化铜氧化镍脉冲等离子体沉积中图分类号:0484.1 信息功能材料与器件硕士学位论文p型cu..1N i 。o透明氧化物半导体薄膜的制各及性能分析棋旦,乏肇AbstractCuOand N i Opow derm i xture w as used tosynthesi zeceram i csby sol i d reacti onand correspondi ngthi n fi l m s w ere fabri acatedby pul sed pl asm a deposi ti on.Theel ectri cal ,opti caland structureproperti esof thetargetsand fi l m s w ere characteri zedby four-probe m ethod, profi l om eter, spectrophotom eter, XRD,AFMand SEM .Cul -xN i xOfi l m s w eredeposi ted byPPD for the fi rst ti m e, sothe rel ati ons betw een廿l ei rphysi cal propm i esanddeposi ti on param etersw erei nvesti gatedi ndetai l .The Cut.xN i xOtargetsexhi bi tedp-type conducti vi tyat 100mtem perature.XRDtest dem onstrated the CuO and N i O m i xedphase.The com posi ti on opti m i zati onshow edthat theresi sti vi tyof theCu0.95N i o.0sOtargeti s the l ow est, 256Q cm .N idopedCuOp-typeTO S thi n fi l m s w eredeposi ted丽mtheCu0.95N i o.050target.Iti s found thatpure 02 w orki ng atm osphere, l arge w orki ng vol tage, andl owsubstrate tem perature i s goodforat roomtem perature i ncreaseddecreased as theoxygen pressurei ncreased from2.6 Pa to 3.4 Pa.111eaveragevi si bl ethe p- type conducti vi ty.The conducti vi ty ofCuo.9sN i o.osO l +sfi l m sdeposi tedfi rstand thentransm i ttance i ncreased from65%to 74%afteranneal i ng, The sam pl e deposi tedatTs=30oC,%=3.0 Pa, U =- 18 kv, I=4.5m A and t =20 rai n exhi bi ted the bestconducti vi ty, 7.1 Scm ‘ ,andtheaveragevi si bl e transm i ttanc, e i s 65%.CudopedN i Op-tYl ∞TO Sthi n fi l m sw 讹deposi tedw i 血theN i o.9Cuo.i Otarget.TheNio.9cao.10l+6fi l m s exhi bi tedp-type conducti vi ty.The conducti vi tyof fi l m sdeposi tedat roomtem peraturei ncreased as theoxygen pressurei ncreased from2.6 Pat0 3.4 Pa and theaveragevi si bl e transm i ttance i ncreased from71%to 85%aReranneal i ng, The sam pl e deposi tedat"Is=30oC,%=3.4Pa, U =- 18kV, I=4.5m Aand t =20 m i n exhi bi ted the best conducti vi ty, 1.4 Scrn"1,andtheaveragevi si bl etranffm i ttance i s 71%.The research resul ts revealthatC1l l -xN i x0(09S1)i sa novelp- typeconducti vetransparent oxi desem i conductor,show i ng rel ati vel y good opti caland el ectri calproperti esand w orth furtherstudyi ng,Key w ords:p- type transparentoxi de sem i conductorfi l m s,CuO ,N i O ,Pul sedPl asm aDeposi ti onChi neseLi braryCl assi fi cati on N um ber:0484.1.Ⅱ. 信息功能材料与器件硕士学位论文p型cuI.xN i 。o透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析棋旦盖芋第一章绪论1.1前言从物质电子能带结构的角度来看,受到电子能带结构的限制,同一材料不可能同时具备高透射率和高导电性。从这一点来说结合了透明性和导电性的透明导电氧化物(transparentconducti ve oxi desTCO s)是--种非常特殊的材料【l 】。大量报道的TCos有n-Sn02和n-ZnO 等【2羽。尽管TCO 材料已经得到了广泛的商业应用,如太阳能电池、电致变色器件、平板显示器、热反射膜、电磁屏蔽窗、有机发光器件、除霜玻璃等,但至今没有透明半导体器件得到应用[6-8]。这是由于缺少性能优良的P型透明氧化物半导体材料( Transparentoxi de sem i conductors TO Ss) 无法制备pn结,而功能器件,如双极晶体管和二极管,都是基于pn结的【91。直到1997年H osono/J 、组报道了具有优良电学和光学性能的p型CuAl 02薄膜材料,才为这一领域带来了突破,并给透明电子学带来了曙光[10, 111.其后,p型透明导电材料的研究受到了广泛的关注,研究者们相继报道了铜铁矿AM 02( A=Cu+、A矿;M =灿帕、Ga+3、i n+3、Cr*3、Fe+3、Y+3等)材料体系[12-18】,SrCu202材料体系‘ 1妣11,ZnO 掺杂材料体系【22硼,及氧硫族化合物材料体系等[29-341。在这些工作的基础上,不同小组报道了使用各种不同材料制备的透明p_n结【35。删,一些小组进一步研发出透明薄膜晶体管(transparentthi n fi l mtransistors唧S)[51-61】,以及紫外发光二极管(UV.1i ght em i tti ngdi odes,UV-LEDs)[621,蓝光LED等器件【631。这些研究成果都证实了TO S材料可能得到实际应用。但正如H osono在05年的一篇综述中所说,“ 这些器件的性能远不能令人满意,甚至比现在的半导体器件如GaN 基的U vLED/LDs,硅金属氧化物半导体( M O S) 超大规模集成电路( U LsIs) ,以及氢离子注入非晶硅( a-Si :H ) /多晶硅11叮s的性能都要差很多",因此,如何进一步提高P型TO S薄膜的电学和光学性能,仍然是研究的焦点【¨ 。本章主要介绍近年来P型TO S薄膜研究的现状,对几种重要的P型TO S薄膜材料的研究成果进行一次梳理,并介绍透明电子学领域获得的最新进展。另外对P型TO S薄膜研究所使用的真空薄膜制备技术做一个原理性的介绍。最后详细介绍本课题研究内容材料,体系选择的依据及研究意义。 信息功能材料与器件硕士学位论文P型Cu]。N i 。o透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析侄旦上葶1.2P型TO S薄膜材料研究现状1.2.1引言自1997年Kaw azoe发表Tp型CuAl 02透明导电氧化物薄膜以来,p型TO S薄膜材料的研究就一直是一个热点。世界各地的研究者分别报道了使用铜铁矿AM 02(A=cu+、Ag+;M =A1+3、Ga+3、Ⅳ3、c一、Fe+3、r3等)材料体系,SrCu202材料体系,ZnO 掺杂材料体系,硫化物及氧硫族化合物材料体系等研究制备P型TO S薄膜的成果,内容涵盖了薄膜制备、理论研究、器件开发等多个方面。本章分别对这些材料体系研究制备P型TO S薄膜的成果进行一次总结。希望能够勾勒出p型TO S薄膜材料研究的较全面的图景。1.2.2铜铁矿结构材料1997年Kaw azoe在N ature上发表文章,报道了使用PLD方法制备出室温电导率为0.95 Scm "1,空穴密度为1.3x1017cm -3,空穴的迁移率为10.4锄2yi s-1 Sccbeck系数是+183 I-LVK"1( 大于O 则说明为p型半导体) ,可见光范围的平均透射率为80%的铜铁矿结构CuAl 02薄膜【8】。自此铜铁矿结构P型透明氧化物半导体薄膜的研究受到广泛的关注。事实上20世纪50年代人们就发现了CuAl th,Ishi guro等人在1981年首次报告了它的斜方六面体结构,Benko和Koffyberg;i ! E1984年报道了它的导电性[64-671。但将CuAl 02可以作为P型透明导电薄膜,则是Kaw azoe等首先挖掘出来的。l 、薄膜材料研究自从Kaw azoe报道了p型CuAl 02透明导电薄膜后,以AM 02表示的铜铁矿结构材料受到研究者们的关注,报道了A为Cu或者Ag,M 为砧、Ga、In、Y、Cr、Sc等的p型TO S薄膜。一些小组分别讨论了不同原子在晶格中替代Cu或者砧的位置对材料电学性能的影响。他们的结果显示Cd和zn替代Cu的位置将产生n型导电,而N i 替代C:Il 的位置将加强P型导电,另外Cd替代砧的位置对材料的电学性能没有影响嘲, 691。有小组报道TFe重掺杂( ~50%) 的CuGa02[Tol ,另外一些尝试用二价和五价金属阳离子替代三价M 珊金属离子位置,还有一些研究者尝试用三种元素替代三价阳离子【70, 71]。对于A_Ag的AM 02材料【72' 73l ,由于银基的铜铁矿结构很难通过简单的固态反应生成并且,相比银基铜铁矿结构材料,铜基铜铁矿结构材料由于Cu的3d加轨道更容易和O 的2p轨道杂化,所以一般AgM 02材料能较CuM 02材料的p型导电性差很多,因此近年来研究较少。Tate等制备的AgxC002( x<1) 薄膜也是P型导电类型,其薄膜电导率为2xl ffl S锄-1,可见光透射率接近50%,直接禁带宽度为4.15 信息功能材料与器件硕士学位论文p型Cul .xN i Io透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析覆旦大筝eV。在银基铜铁矿结构材料中它具有较好的电导率,这主要是因为Co的3dl o轨道和O 的2p轨道的杂化,使的空穴的局域化程度被降低【73,74】。表1-l 列出了这些研究成果。Tabl e 1-1The球I忍m 锄t盱ofdel afossi te· typeoxi desp-type transparentconducti ve m ateri alM atedalM ethodT(%)o(S· crn-1)CuAl 02PLD800.095d.c.m agnetron>70O .33sputteri nge- beam40.850.2.200evaporati on·Cul +xAl 02PE.M oCVD800.289CuG a02PLD800.063CuB02PLD651.65CuSc02PLD75· 851.16x10-4PLD>65O .25●-● ●sputteri ng4030CuCr02r.£sputteri ng301.OcuY02Co-evaporati on60<O .02CuG a02:Fer.f:sputteri ng50—701.0CuInO z:CaPLD700.003CuSc02:M gr.£sputteri ng1520.0CuCr02:M gr.£sputteri ng3D _40220chem i calspray>80lpyrol ysi sCuYO ’ 2:CaCo—evaporati on501.0CuAIO z:Znt£m agnetron40—80O .12sputteri ngCuN i o.67Sbo.302:Snr.£sputteri ng60O .05AgC002r.£sputteri ng4m 击OO .2· The characteri sti cs w cre t锶ted area"w et-oxi dati onproceu● ● Thesam pl ew e∞U -earedby fastanneal i ngat 900℃.3. 信息功能材料与器件硕士学位论文P型cuI。【N i ,o透明氧化物半导体薄膜的制各及性能分析覆皇上攀2、理论研究铜铁矿结构P型TO S材料受到关注的同时,研究者们对铜铁矿结构材料的理论研究也展开并深入下去。很多小组用多种原理模型和测试手段研究了CuAl 02、CuGa02、CuY02、CuSc02等材料的电子结构【75-so]。Fi gure· I-I· 副Theschem ati c structt"e ofdel afossi teCuSc02i n Cartesi ancoordi natesystem .b)TheuppeI"paneli s the cal cul ated LD Am atri x el em entssquaredof di rect transi ti onbetw een the bandedgestates ofCuX02 X=Y,Sc, andAI.The l ow erpanelcorrespondi ng seIf-consi stent band structuresal ongthehi gh-sym m etrydi删ons.i s theInaddi ti on,thedoubl e-head arrow srepresentthe transi ti onsat工poi nts.TVCI andTVC2representthe transi ti ons fromVBMstates to the fi rst and second conducti onbandstates,respecti vel y.Superscri ptand denote that thel i ght i s pol ari zed paral l dandperpendi cul ar tozdi recti on,respecti vel y.图1.1摘自Shi 等人08年发表的一篇用第一性原理研究CuXCh( X=Y、Sc、AI)导电性的报道,该篇报道中提出CuSc02在CuXCh( X--Y、Sc、A1) 中具有最高的VBM ,因此具有最佳的掺杂适应性【751。图中a) 是CuSc( h的晶体结构图,AM 02铜铁矿结构的材料晶体结构均与a) 相似。铜铁矿晶体结构可以看作由两种层状结构单元堆积而成,一种是O .A.O 哑铃状结构,另一种是M 02八面体结构。在铜铁矿结构中每个M 离子与周围6个氧离子形成共棱八面体配位结构,每个氧离子与周围4个阳离子( 1个A离子和3个M 离子) 构成准四面体结构,形成sp3杂化轨道。这种结构能有效抑制氧离子2p轨道电子对空穴的局域化作用,并可以减d, A离子的交叉连接尺度提高禁带宽度,对透明性有利。螋忆錾。,弋出 图1· 2摘[刍H am ada等人06年发表的文章,该文章报道TCuAl 02的能带结构和电子态密度以及点缺陷形成能量的计算【7酊。该报道提出控制Cu和O 缺陷对提高铜铁矿结构材料P型导电性非常重要。Fi gure 1-2 The band structure0e动andthe el ectroni cdensi tyofstates(EI)O S)(m i ddl e)ofCuAl 02.Energyze∞i s set toFerm ienergy.Gaussi an broadeni ngm ethodw 翘usedto cal cul ateED O S.Form ati onenergyofnati vepo硫defects(ri ght)under Cu- poorand O -ri ch condi ti ons.The zel "o of the Ferm ientffl,a' yi s set toEVBM .Acceptor(donor)areshow nby sol i d(dashed)l i ne.O nl ythe l ow estenergi esareshow n.一些研究小组XtAM th材料的晶体结构进行了详细的研究,表1.2罗列了一些研究结果[79, go]。表1.2给出了几种AM 02材料的晶体结构参数。Tabl e 1-2 Thel atti ceparam ete穗ofsom eAM 02m ateri al sOoo化合物a( 彳)c( 彳)A.O ( 彳)B.O ( 彳)CuAl 022.85816.9581.8641.910CuG ath2.97717.17l1.8481.996CuIn023.2917.391.8452.17CuY023.53317.1361.8272.2853、铜铁矿结构材料导电机制研究对铜铁矿结构材料P型导电机制的研究主要有化学价带调制( Chem i calM odul ati on ofthe Val enceBand,CM VB) 、氧插入、金属离子空位和掺杂引起P型导电等【81· 851。CM VBN 论提出要构成P型透明导电材料,要求其价带项具有较小的有效质 信息功能材料与器件硕士学位论文PCuI。N i xo透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析袒旦上攀量以形成浅受主能级。由于金属氧化物中氧离子具有很大电负性,氧化物材料的价带边缘对空穴有着强烈的局域化;即氧原子的2p能级往往远低于金属原子的价带电子能级。因此这些空穴需要很高的能量才能克服氧离子作用形成的势垒,成为能够在晶体中自由运动的载流子参与导电,所以通常的金属氧化物的电导率和空穴迁移率都很低。Kaw azoe提出的价带调制理论的思路是,首先选择能级与氧离子2p能级相当的满壳层结构的阳离子,如af、Cu+和au+(最外层电子结构是d10so和dl os2)来减小氧离子的库仑力的束缚,使空穴的局域化程度降低,如图1.3所示;然后,选择有利于增强共价键结合形式的氧化物晶格结构,如氧离子的四面体配位就容易形成sp3杂化轨道,可以降低氧离子2p电子强的局域化,而铜铁矿结构正好符合以上两条。置t{.,,..护.、、、÷—T.曙。,v矗责‘ \母,,,二:意Vm levelEI--3.geVE.-蛸eVT1,f^‘ 哪k嘲VBMFi garoI-3 Schem ati cdi agram sof CM VBm ethod(1efI)andene哩;yband stl "uci uro of AM 02m ateri al s(ri ght).氧插入引起P型导电机制可以从缺陷反应角度解释。氧插入会引起P型透明氧化物半导体薄膜材料成分的非化学配比( non-stoi chi om etry) .这些过量的氧在薄膜中可能的存在形式有以下两种,一种是在晶格中替代金属原子的位置,另外一种是存在间隙中。两种形式的氧插入都有利于提高薄膜中空穴载流子的浓度,对提高薄膜导电性有利。图l _4中的a、b、c分别给出了没有氧插入情况下、氧插入替代金属氧离子情况下和氧插入在间隙间情况下的AM 02材料的晶格结构示意图。从图中可以直观地看出氧插入提供了更多的空穴载流子,但同时氧插入作为缺陷在晶格中存在也破坏了原来的规整的晶格结构,这就使得氧插入可能引入更多的散射中心,降低载流子迁移率,从而对提高薄膜导电性和改善薄膜透明性带来不利影响。由氧插入引起的非化学配比在薄膜材料中可能引发下列反应方程式表示的缺陷反应:02(g)=2q+%,+嘧+4h+( 1-1)式中“ O o” 表示晶格中的氧,‘ V’ 分别表示一价M 1和三价M m 金属氧离子的空.6..夺弩_r~Ⅲ-&_一群●l◆l& 信息功能材料与器件硕士学位论文P型Cul 。【N i l 0透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析伍要史葶位,‘ ‘ h” 表示空穴,上标x,.,+分别表示中和,负电,正电状态。同样的在晶格间隙中存在的氧可能俘获两个电子形成氧离子,从而在价带上留下空态,起到空穴的作用。这种由氧插入引起非化学配比的铜铁矿结构P型薄膜材料可以表示为M l M Ⅱ102+x(M 1表示cu+,Ag+而M m 表示Al +3,Ga+3,h,3,矿3,Sc+3等阳离子)。其中X表示的氧插入比例在CuAl 02+x薄膜中只有0.001%【l I】,而在CuSc02+x薄膜中高达25%p8, s6-ss]。‘ n’。:::==8蓉=,—p‘ ,’ 靠-I· ■三i。T糕0:0三0:0嚣==_‘ l· · :· :· :◆ 一~l · · 二· :◆ :◆!:!:!:卜黜枷¨墨· · ‘ · 二·· AI山_.Iooo■ 呐舭蜘!·◆ ~嘲一‘ 。)● ● ● ● ● ● ●下??:???:‘ I· · · · · · · ·‘ :三:=。· ^m ,一I ◆ ● ● ● ● ● ● ●9 n⋯’ 4“ n“ 意誊避襻三二妻二! · · ◆ ◆ · ·Fi gure 1-4( a) Stoi chi om ctri c ASCh l atti ce.(b)N on-stoi chi om el ri c ASCh i ndi cati ng懿c鹤soxygeni n A-l atti ce si te and Bl atti ce si te.Four hol es are createdm aki ngthe m ateri alp- type conducti ng.(c)N on· stoi chJ om etri cASChl atti cei ndi cati ngexcessoxygeni ni ntersti ti al si tes.Each i ntersti ti aloxygen traps el ectrons to forman 0-2 ani on,l eavi ngbehi nd tw o hol es.金属离子空位和掺杂引起P型导电机制从缺陷反应理论看和氧插入一样有利于p型导电【82,83】。对铜铁矿结构p型薄膜材料进行掺杂的研究表明,合适的二价金属元素掺杂有利于提高薄膜的导电性。这种由掺杂引起的缺陷反应可以由下面方程式表示:(M 肌” +3e一)个=(M 盯+2+2e一)、l +矿一+.Il +( 1-2)●●c)●。●o●●●◆◆o●●o●。●◆●o◆.●o●◆●◆◆c◆◆o●◆●●◆o◆。●o●●◆。◆o●●o●。◆.●●o●◆o◆◆孓㈨t_:l 式中M 肼H 和肘口+2分别表示三价和二价阳离子表示y一空位,该空位被一个电子占据,e一并由此产生了一个自由空穴载流子,h+.向上箭头符号和向下箭头符号表示晶格中一个三价金属阳离子被一个二价金属阳离子替代。金属阳离子空位引起P型导电可用如下两个方程式表示:%+寸%.+J II+(1-3)%+,专%。+3h+(1-4)式中%+和%+,分别表示一价和三价阳离子空位,该空位没有离子占据周围的电子结构被破坏,产生了自由空穴载流子h+.对铜铁矿结构P型TO S材料导电机理的研究为其他材料体系制备P型TO S薄膜提供了很好的参考和指导。1.2.3SrCu202材料97年报道了Q 认102材料P型TO C薄膜以后,Kaw azoed、组在98年又报道了用PU ) 方法制备SrC也02材料p型TCO 薄膜,并对其进行了K掺杂研究【191。研究发现掺杂前后薄膜的室温电导率从3.9xlo-3Scm ‘ 1提高到4.8xl o-2Scm "1,载流子浓度和迁移率分别是6.1xl 017cm "3和0.46cm 2V-1s.1。1、薄膜材料研究fl I<aw azoed4i i 报道了用PLD方法制备SI"Cu202材料P型TCO 薄膜以后,研究者们做了进一步的薄膜制备研究,Su等人报道TCa掺杂SxCu202,并制备Tpn结【跏。R0y等用溶胶凝胶和甩胶法制备了SA202薄膜,为规模化的商业应用提供了实验依据【901。表1.3是几种SrCu202薄膜的数据。Tabl e 1-3 Theparam enter ofp-typeSrCu202TO SsM atedalM ethodT( %)0(S· cIn.1)SrCu202PLD703.9xl O -3e-beamevaporati on>605.3x10qSrCu202:CaPLD>708.2× 10—2SrCu202"KPLD804.83x10—22、理论研究SrCu202晶体结构和能带结构示意图如图1.5所示。它类似于Cu20结构,具有0-Cu-O 哑铃状结构,这种结构单元互相连接形成沿着[010】和[100]方向成锯齿状一维链结构。这种结构中相邻Cu+dl o电子间的相互作用局限在Cu-Cu单链内,有利于展宽其光学禁带宽度,提高透明性【911。 信息功能材料与器件硕士学位论文P型Cul 。N i Io透明氧化物半导体薄膜的制各及性能分析覆曼土葶∥ 翳甄-弓墨暑参Fi gure1-5Crystal structure(1eft)andbandsm l cture(ri ght)ofSrCu202.02年O hta等人与H osono/b组合作研究了S妃乜02和SrCu202:K结构,指出a=0.5469 nm ,c=0.9826ni n,并发现计算得到的DO S谱,X射线吸收谱显示的电子结梅与Cu20的电子十分相似,因此提出了用Cu20的电子结构解释SrCu202的电子结构,如图1-6所示:Fi gure 1-6 Il l ustrati on of the el ectroni c structure ofCu20,basi cal l yappl i cabl e to that of SCO .Bands I’ II, III’ andIV aretentati vel yl abel edanti -bondi ngstate of Ca and O ,N onbondi ngstate ofCu,N onbondi ngstate ofCu, N onbondi ngstate ofO ,andBondi ngstateof Cuand O .N i e等用基于第一性原理的LDA和TB.LM TO 分别对SrCu202带结构进行了计算,他们认为SrCu202的价带由O2p和C! u3d杂化组成且价带顶主要来fl Cu,并较Cu20具有更窄的价带宽度,p型导电来fl Cu3d1啊921。从原子之间相互作用出发,Boudi nS等就CuAl Ch和SrCu202的电子结构进行了比较,发现虽然二者的能带结构非常类似却表现出明显不同的导电特性( 如电导率CuAl 02较SrCu202大) ,由US6‘2O2 此大胆认定是价带顶的Cu 3d电子及其相互作用对电学性能负责【931。O hta等从理论和实验上对SrCu202的光电性能进行了研究,光电子能谱( XPS和U PS) 显示该物质的禁带Eg=3.3eV,与吸收光谱得到的结果吻合。M odrem u在07年发表的文章也证实了上述观点‘ 941。1.2.4掺杂ZnO掺杂ZnO 是一种十分重要的p型TO S薄膜,由于n-ZnO 材料很多,且得到了应用,如ZnO :In/A1/F/B/Gat95。97】,如果能够制备tBp-ZnO ,则可以制备同质pn结,为透明电子学的实现带来巨大突破,因此p-ZnO 的研究受到广泛关注。l 、薄膜材料研究由于ZnO 受主的固溶度较低,而且ZnO 中的诸多低能本征施主缺陷( 间隙Zn和氧空位) 会产生高度的自补偿效应,深的杂质能级也会阻止形成浅受主能级,所以znO 的p型掺杂十分困难娜, 991。最早制备p.znO 的尝试是掺杂N 和舢【l O O -1021。近年来,基于第一性原理的计算,Yam am oto等人提出将施主与受主杂志共拶103】,并由J oseph等成功实现【1041,得到薄膜的透射率超过80%。除此之外,N 勘共掺【1吲、N .砧共掺【106-109],Sb掺杂等也有报道【i 10]。表1.4是几种P型掺杂ZnO 薄膜的数据。Tabl e 1-4 Theparam enter ofp-type dopedZnOTO SsM ateri alM ethodT(%)O ( S· cm -1)ZnO :N .G aReacti ve RFM S902ZnO :N .InU SP59ZnO :N .AlD CRM S901.7x10-2一●D C>854x10-2RFM S>80lZnO :PPLD5.9x 10-2M O CVD909.8x10-2ZnO :SbM BE5FVAD7ZnO :AsPLDZnO :NM BE0.025ZnO :N .BM SO .42Zno.9M go.iO :N —A1D CRM S903.9xl O -2· ,nl efi l m s w el ' epreparedby gaseousam m oni aanneal i ng 信息功能材料与器件硕士学位论文P型cul -l N i l 0透明氧化物半导体薄膜的制各及性能分析覆要大事■■■_■_●■■_■_■●●■●●_■■■____■_■●■●●_●●__■●■■_●■■_●■●■■■■■■■●●■■●_●■●_■■■_■●●■__●■_●■■●●●■■●_■■一1——————一——————⋯1●●●■■_2、理论研究Yam am oto等人根据第一性原理计算了znO 的电子结构【1031,Lei 等人对N 掺杂ZnO 进行-f"Ram an分析【1111,Yu等人模拟计算TZnO 中缺陷的状态【1121,并提出zIl O可以在一个很窄的氧原子比例窗口内表现出稳定的p型导电。ZnO 晶体结构和能带结构示意图如图1.7所示。◇ VB\.JL.}霹上f哥.,‘r7g.蓄Il;rt.夕稔二./氐,l\BFi gure1-7 U ni t cel l of thecrystalstructure ofZnO (1eft).The l i ght grey spheres con' gspondstooxygen,thedark O nes to zi nc.Thepri m i ti vetransl ati on vectors a and b i ncl ude锄angl eof 1200 and a∞si tuatedi nthe basepl ane,ci sorthogonalto themTheval enceband( va) andconducti onband( CB) of ZnO ( ri ght) i nthevi ci ni 匆ofthefundam ental bandgap.1.2.5氧硫族化合物氧硫族化合物P型透明导电材料的化学通式为LnCuO Q ( Ln=镧系元素La、Pr、N d;Q =硫族元素S、Se、Te) 。其结构与铜铁矿相似为层状结构,由( Ln202)2+和( Cu2Q 2) 2‘ 两层沿c轴交替堆垛而成。l 、薄膜材料研究现在主要研究的氧硫族化合物有LaCuO S、LaCuO Se、LaCuO l 嚷Sex、BaCu2S2、BaCu2Q F等。U eda K等采用反应磁控溅射法成功制备LaCuO S薄膜,证实它是P型半导体【1131。在La位掺杂少量Sr后,由于sP替代口+,电导率提高了约20倍。Hi ram atsu等人研究了LaCuO SI.xSex体系中Se含量对其导电性能的影响【114】。当在LaCuO Se掺AM g后薄膜的电导率为140Scm 一。2009年H i ram atsu等人报道详细介绍了多种层状氧硫化物,并介绍了其应用【1151。表1.5是几种P型氧硫族化合物薄鬻嘲¨ _ 信息功能材料与器件硕士学位论文p型cu。。N i xo透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析棋旦戈葶膜的数据。Tabl e 1-5 Theparam enter ofp-tYl Ⅺoxychal cogeni deTO Ssconducti vi tyM ateri alM ethodT( %)(S· cm -1)( LaO ) CuSr.£sputteri ng701.2x10-2(Lal -xSrxO )CuSr.£sputteri ng702.6x10-I( LaO ) CuSe10SPE24(LaO )CuSe:M g10SPE140R.SPE910BaCu2S2RFM S90172、理论研究理论研究表明相比离子型/共价型氧化物,硫氧化合物LnCuQ 中Q 的np(庀3)能级和Ch3d更加接近,杂化后组成价带顶( VBM ) ,同时具有x,y方向更大的各相异性,空穴在层内传输更加自由,因此LnCuQ 体系的导电途径更加合理,导电性也更好。La.,’ ∥ 。.tO 菇阳h娜。Cu.(1矿+Fi gure 1-8 Crystalstructur鹤ofl ayered O xychal cogeni de LaCuO Ch( Ch=chal cogcn) .( 1eft)l atti ce system :tetragonal ,space group:P4/nm m 甜o.129).Energybanddi agramand thetotal /par6alD O S of LaCuO S near the Ferm ienergy(m i ddl e)andthebandoffset at the C.B.andV.B.(ri ghO .层状的氧硫化合物LaCuO Ch( Ch=S,Se,Te) 晶体结构如图1.8所示,LaCuO Ch属于四方晶系结构,其空间群为P4/nm m 。1-8中间和右边图分别是LaCuO S的电子能带结构,Ferm i 能级附近归一化的DO S和价带/导带示意图。图1.9是层状氧硫族化合物的分子示意图和沿原子轨道重叠方向的能带结构示意图。研究表明Cu的辫■Fq、\鲫,&叔t。吣勰 信息功能材料与器件硕士学位论文p型cu。。N i l 0透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析覆暑上葶3dl o与硫族原子的p6轨道杂化对形成p型导电起到重要作用【1161。,,豁甏鏊*’ .*,/6:=:yg晶2}书=Fi gure1-9 Schem ati c m ol ecul ardi agramofoxychal cogeni des(1eft)andschem ati cena' gybanddi agramal ongw i th theoverl apof atom i corbi tal s(ri ght).Thecati ons w i thl argesOorbi tal s arei ndi spensabl e forn- typeconducti on and thehybri di zati onofchal cogen( Ch) p6and Cu 3dw orbi tal s i svi talforp-typeconducti on todi spersetheconducti on/val ence band or to formconducti onpathsi ncrystal s.1.3P型TO S薄膜的应用随着越来越多光电性能良好的P型透明导电薄膜的产生,使得真正实现透明电子学成为可能。其中,最简单的电子器件就是具有整流效应的薄膜二极管pn结。虽然透明薄膜二极管的结构简单,但是由于可以用于实现“ 功能窗” 等器件,在透射太阳光中可见光的同时将紫外线吸收,因此其意义与作用十分重大。另外薄膜场效应晶体管( TFET) ,紫外发光二极管,等也有报道。1.3.1透明薄膜二极管Sato等【35】首次采用P型N i O 和n型ZnO :AI成功制备了半透明的p.i -n型薄膜二极管,其结构为p-N i O /i .N i O /i .ZnO /n.ZnO :AI,P型层和n型层的厚度分别为195am 和400am ,电学测试表现出的整流效应证明其具有二极管性能。虽然他们又尝试过用p-N i O 和11.ZnO :AI制备p-n型薄膜二极管,但其正反向电流电压曲线都呈直线,并未成功。与此类似,KudoA等【19J 利用n-ZnO 与p-SrCu202成功制备了全透明的p-n型异质结。分别使用n-ZnO 和P.SrCu202作为n型与P型层主要是因为二者之间匹配的晶格结构,同时较低的SrCu202制备温度也能够减少二者界面间的化学反应。 焦星砖能拱科与器件硕士学位避P型Cut。Nil0透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析伍皇上擎SC0poh—i m Ⅺe■ o蠢 纛■ -zI豳、霸豳‘IIJ Zo《9·呐o。6.003·I.-.⋯.· 15-3.1135Bi asVol tage(、,)Fi gurel‘ 10【a)Structureofatransparenthetero-j uncti ondi odeoftheform :gl ass/ITO /p-SrC' u202/n-ZnO /n+-ZnO .嘞Recti fyi ng I-V characteri sti csofp- nhetero-j uncti onas show ni n(a)其器件结构和I.V特性曲线如图1.10所示。薄膜为多晶材料,总厚度约1300Im ,从(b)图可以看出它具有良好的整流特性,正反向电流比达80,可见光平均透射率为70%~80%。他们还制备了p-SrCu202:K/i .ZnO /n-ZnO 结构的p-i .n异质结【371,而相应的Hoffm an等【38】制备了n+.ITO /i .ZnO /p+-CuY02:Ca结构pi -n型氧化物全透明异质结二极管,厚度为750 ri m ,在波长400"700 nm内,透射率在35"-' 65%之间。具有明显的整流特性,施加4-4 V偏压,其正反向电流比高达60。研究发现可以通过调节沉积过程中的氧气分压来改变ZnO 薄膜中的载流子浓度来匹配SrCu202中的空穴浓度,因此p-CuYn.。Ca, Ch( x=O .01~0.02)/n-Znl .xAl xO (x=0.02)结构的p-n型异质结也有所报道【391,其开启电压在0.4"--' 0.8V之间。Tonooka等【40】报道的n.ZnO /p-CuAl 02结构二极管在.1.5~1.5V问具有90的正反向电流比,可见光平均透射率也达到40%, --,70%,而且具有光伏效应。由于同质结能够自动地解决晶格匹配问题,因此透明同质结吸引了广泛的关注。Yanagi 等人【4l 】第一个报道了全铜铁矿结构的p-n同质结,结构为YSZ(111)IITO l p-CuIn02:Ca/n.CuIn02:Sn/ITO ,观察得出它的开启电压为1.8eV,可见光透射率为60~80%。AoK/等人【42】制备了p-ZnO :As/n-ZnO :Al 和p-ZnO :P/n.ZnO 同质结。Hw 锄g等人【43】报道了n.ZnO /p-ZnO :As的透明同质结,开启电压为2.5 V。Tuzem en等【删报道了用反应交流磁控溅射法,通过控制氧氩混合气体中的氧分压分别制备p-ZnO 和n-ZnO 并形成同质结的尝试。Bi an等人145】制备了p-ZnO :N ,In/n-ZnO 二极管。J ang等人【461采用P扩散获得p-ZnO :P,制备出p-ZnO :P/ZnO 二极管,施加+3/一5 V电压时,正反向电流比约为70,正们S)o删聃 堡,垦堕能材料与器件硕士学位论文P型Cut。N i 。o透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析组旦上事向开启电压为4V。Zhuge等人【471报道了p-ZnO :AI, N /n-ZnO :AI结构的二极管,开启电压为2V。J i ao等人【48】报道了p-ZnO :N /n-ZnO 发光二极管,正向开启电压是4V,电致发光位于兰紫波长区域。Ye在p-ZnO 方面工作很突出,图1-11是他们最新发表的ZnO 基同质pIl 结的结构图和/-V曲线【49】。Fi gurel ~1 t- V characteri sti cs of then-ZnO /n-Z.no.aCdo.20/p-ZnO di ode.Lefti nset show sschem ati cal l ythe cro, 戳q secti on of theheteroj uncti on,w hereas ri ghti nset show sO hm i c contacts oftheInZnal l oyO l i then· andp-ZnO ,respecti vel y.对于全ZnO 透明二极管结构,如果能够优化沉积工艺使载流子浓度进一步提高,将会开创透明电子学的新局面。表l 石总结了近年来透明二极管的研究状况。Tabl e 1-6Param eters of sel ectedtransparentdi odesD i ode s咖ctllIIcSubstratep-fi l mn.fi l mi -fi l mp{ⅪunG l assN i OZnO :A1N i Q 亿nOp/nG l assS疋u202ZnOp/nYSZ( 111)SrCu202ZnOIl/岫G l assCuY02:Cal TOZnOp/nYSZ( 111)CuIn02:CaCuIn02:Snp/nGaAs(001)ZnO :AsZnOp/nSi (100)ZnO :N .InZnOp/nquartzZnO :N .舢ZnO :A1p/na-A1203ZnO :NZnOp/nP—Si (111)ZnO :N .A1Zno.sCdo.20 信息功能材料与器件硕士学位论文p型cul .IN i 。o透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析梗旦上葶1.3.2薄膜场效应晶体管透明薄膜场效应晶体管(TransparentFi el d.effect Transi stor,TFET)是透明电子学另一个重要领域。由于有效沟道层(Acti veChannel Layer)具有宽带隙,TFET裸露在可见光下特性并不衰减,而非晶硅和多晶硅Tl 丌会发生衰减。因此实现TFET对未来透明电子学在太阳能电池领域的应用具有重要的意义。Pri ns等人pl 】报道了基于Sn02:Sb薄膜的铁电TFET,其场效应迁移率约为10cm 2V-1s-1,开关电流比为104。H offi nan等人【52】报道了高透明ZnO -TFET;栅绝缘层是铝钛氧化物( ATO ) ,ITO 用作栅、源和漏电极,ZnO 充当沟道层,阈值电压和器件的沟道迁移率分别是10"-20 V和0.3~2.5 cm 2V"1s.I,开关电流比约为107,包括玻璃基板的器件可见光透射率高达75%。M asuda等人【53】报道了ZnO -TFET,Si 02和Si N x双层结构作为栅绝缘层,这种双层结构有利于抑制漏电流,场效应迁移率和电流开关比分别为lcm 2V-1s-1和l O s,可见光透射率大于80%。Carci a等i s4] 报道的ZnO -TFET场效应迁移率和电流开关比分别为2cm 2V-1s以和106,可见光透射率大于80%。Chi ang等人【55】制备了非晶锌锡氧化物TFET,可见光透射率为84%,器件经300℃和600℃热处理后,器件的场效应迁移率分别为5"15和20"--50 cm 2V-1s.1,电流开关比高达10。。Dehuff等人【56】报道了ZIO ( ZnO 和In203的摩尔比为2:1) TFET,器件的可见光透射率高达85%,器件经后处理,沟道迁移率达到45"--' 55 cm 2V"1s.1,电流开关比为106。M i yasako等人【57】制备的ITO -TFET.其中栅绝缘层为铁电BkL氐西3012(BLT)薄膜,场效应迁移率和电流开关比分别为9.1 cm 2V-1s.1和104,尽管具有低的场效应迁移率,但ITO /BLT结构的Tl 可有着较大的漏电流( 2.5 m A) ,这可能是由于铁电薄膜自发极化诱致大的电荷密度。Ki m 等人【58】采用高介电常数Bi l .5Znl .0N bl .507(BZN )薄膜为栅绝缘层的ZnO -TFET,400 nm 以上波长的透射率大于80%,场效应迁移率和电流开关比分别为O .024 cra2V-1s.1和2xl o.,阈值电压为2 V。N om w a等人【59】采用PLD技术成功的制备了全透明氧化物薄膜晶体管。其结构为单晶YSZ( III) J b基板,单晶氧化物InGa03( ZnO ) 5( IGZO ) 作为基底的有效通沟道,非晶氧化物H f02作为栅绝缘层,ITO 用作源、漏和栅电极;经测试器件在波长390"--3200 nm 范围内平均透射率大于80%;电流开关比约为106,场效应迁移率高达80cm 2V-卜S1。将80ri m 厚的非晶H fO x层用作绝缘栅层,ITO 用作源、漏及栅电极的结构,其透射率高达近100%.漏电流在10"gA量级,电流开关比超过105。O hm 等人报道的透明有机薄膜晶体管【叫,基板采用YSZ011) 单晶,400 ri m 厚的(Sco.7Yo.3)03用作高k栅绝缘层,源、漏和栅电极均为l i fO ,用分子束外延方法制备的40 nm 厚,方均根粗糙度为l nm 的有机VO Pc( Vanadyl -phthal ocyani ne) 外延层作为P型沟道层;其场效应迁移率 信息功能材料与器件硕士学位论文p型cuI.1N i Io透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析覆曼土葶仅有5x100 cm 2VJ s~,相比之前的10.5的数值有了很大的提高;漏电流开关比为]03。N om m A课题组采用PLD技术制备透明柔性薄膜晶体管【61】,采用基板为0.2 nl m 厚PET( pol yethyl eneterephthal ate),30nm 厚非晶a-IO ZO 作为有效沟道层,140 nnl 厚的Y203为栅绝缘层,源、漏和栅电极均为40 nnl 厚的ITO .在室温下场效应迁移率为12 cm 2V-1S.1,饱和迁移率约为6-9 cm 2V卜S 1,漏电流一为l o.10 A,电流开关比为106' ' 一10s,阈值栅电压为+1.5 V。具体结构和实物照片如图1.12所示。Fi gurel 一12.Fl exi bl etransparentthi n fi l m transi storusi ng am orphous啪}.z棚system s(a-IGZO )for thechannel .(A)Thi nfi l mtransistor(邢structure.(B)TheTFTdevi cesai ' tgm easured at curvature radi us of 60ram , ( C) output characteri sti c,and(D)transfercharacteri sti c.表1.7给出了透明薄膜场效应晶体管的参数并总结TFET的研究进展情况。Tabl e 1-7 Param eters of田FETActi veG ateG ateM obi l i tyO n/offSubstrateT(%)channeli nsul atorel ectrodeem 2V"l s’ lrati oZnOⅪoI TOG l ass2.5~10775ZnOSi 02/Si N xn’ OG l ass110580ZnO :Sn02A:ron、oG l ass5010784ZnO :In203觚on’ OCl ass5510685InG a03a-H f02n’ OYSZ( 111)80~10680(ZnO )a- ] nG a03Y203I TOPET9103( ZnO )PentaceneAl O xI TOGl assO .95x10570Rem ark:T.vi si bl etransparency;ATO :AIO xandTi O x;VO Pc:Vanadyl -phthal ocyani e..17. 信息功能材料与器件硕士学位论文p型Cu。。N i 。o透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析覆曼上葶1.3.3紫外发光二极管正如在透明薄膜二极管节中所描述的,我们认识到一些二极管具有近紫外的发光效应,如本征ZnO 的禁带宽度为3.38 cv,在室温下就可以激发出九=380hm 的紫外光。O hta等人【蚓就报道,当有电流注入时,p-SrCu202/n-ZnO 异质结具有紫外发光效应,在350"-800 nl Tl 波长范围内,只有382 nm 的发光峰,开启电压为3 eV,与ZnO 的带隙相对应。图1.13是p-SrCu202/n-ZnO 异质结具有紫外发光二极管的结构图和发光光谱。Fi gurel一1 3 Schem ati c i l l ustrati on of tl l e LED structure.+IT0 and N ilum in删spectra of p-SrCu202/n-ZnOhetcroj uncti on LED.( ri gh0 Thei nsetshow s em i ssi onspectraas a functi on of forw ard current rej ectedtO thej uncti on.are used as n andPel ectrodes,respecti vel y.(1ea)Photol um i nescenceandcurrent-i nj ected1.3.4蓝光LEDLaCuO Ch( Ch--S/Se/Te) ,具有室温电导率可控的特性这使得LaCuO Ch特别是LaCuO Se材料成为优秀的制备LED候选材料【631。采用多晶n型InGaZn508作为n型层的主要原因是其可以低温制备。图1.14显示了室温测试的异质结的电致发光谱,可以看到在捂430 nnl 附近出现一个尖锐的蓝光发光峰,这个峰在前向电流为1.4 A锄.2时出现,且随着电流增加而增强,但在电流密度达到2.5Acm _2时达到饱和。插图是Au/n.InGaZn50s/p-LaCuO Sc/Au异质结的结构示意图。这一发现对透明电子器件走向实际应用具有里程碑意义。1.3.5透明紫外传感器到达地球表面的太阳光中波长范围在280---400nm 的紫外线能够引起皮肤 信息功能材料与器件硕士学位论文pgt cul .1N i l o透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析强曼上葶癌等疾病,对人体造成伤害。而由p-N i O 和n-ZnO 构成的l m 异质结l i l T]作为透明紫外线传感器能够在室温下感知紫外线。它的I.V特性曲线表明其正向阈值电压为1v左右,对应于360ri m 波长处O .3 AW "1的能量,这一指标可以与已用作商业途径的GaN 传感器相比。图1.15是其结构示意图和不同偏压下的光响应曲线。主喜jFi gure1-14 ELspectraof apn hetero-j uncti onLEDcc唧l p∞嗣of p- LaCuO Se cpi l aYcrandn- InG aZnsO s am orphous l ayer, m easuredfrom the M gOsubstrateatroomtem peratureasa functi on of the currentdensi ty.Thei nset show sthe‘ l e、,i cestructure.Fi gurel -1 5Spectral responseof the di ode at several reverse-bi asvol tages.Thedevi ce structurei s al so show n i n the i nset. 信息功能材料与器件硕士学位论文p型cuI。N i ,o透明氧化物半导体薄膜的制备及性能分析覆旦上事1.4P型TO S薄膜真空制备技术真空薄膜制备技术在P型透明氧化物半导体薄膜材料的研究中具有重要的地位。在使用不同制备方法研究P型透明氧化物半导体薄膜时,薄膜的制备方法对控制薄膜的性能起着决定性的作用,采用不同制备方法的同一薄膜材料的物理性能可能完全不同。而改变不同的制备参数,薄膜的结构性能、掺杂杂质存在的结构和形态等都将发生相应改变,而这些改变将最终影响薄膜的电学和光学性能。目前制备P型透明氧化物半导体薄膜的真空薄膜制备技术有真空溅射镀膜技术和真空蒸发镀膜技术两大类。溅射是用稀有气体正离子轰击溅射材料而制各薄膜的真空镀膜工艺。溅射的物理过程就是离子把动能转给晶格或直接给出射粒子。在这一过程中,溅射原子必须得到足够的能量来克服表面结合能。溅射过程的产物主要是单原子。入射离子的能量只有5%以下转变为溅射原子的能量,而大部分用于加热靶材。溅射作为一种显微剥蚀技术具有对不同元素或他们化合物溅射产额差别不大的优点。例如,钨溅射效率是铝的1/3—1/2,而这两种元素的蒸发效率差别在九个数量级以上。根据不同的设备特点,溅射镀膜又可分为以下几种,直流溅射技术、射频溅射技术和离子束溅射技术。真空蒸发镀膜技术是目前使用最广泛的薄膜制备技术。。蒸发镀膜包括以下几个物理过程:1) 通过蒸发或升华使被镀材料气化;2)将原子或分子输运到基板表面;3) 上述粒子沉积于基板上;4) 上述粒子在基板表面重新排列,形成薄膜。这种方法具有结构简单,薄膜纯度高,在一定程度上可以达到预期的薄膜结构的优点。真空蒸发镀膜技术主要包括真空反应蒸发法( VacuumReacti veEvaporati on:VRE),爆破式蒸发(expl odi ngw i reevaporati on) ,脉冲激光束沉积( Pul seLaserDeposi ti on:PLD) 和分子束外延( M BE) 。这些方法是根据不同的反应原理和物理、化学过程制备薄膜材料,具有各自的特点和应用领域。本部分内容对各种真空镀膜技术的原理做一个简单描述。1.4.1直流溅射技术直流溅射技术是溅射镀膜中设备结构比较简单的技术。被溅射材料做阴极,基板做阳极。直流溅射只能使用导体材料作为靶材,这是由于在受到正离子轰击后,绝缘材料靶材表面会积累正电荷,对后继的轰击离子产生排斥作用,最终导致放电停止。 1, 4.2射频溅射技术射频溅射技术可以解决直流磁控溅射技术的这一问题。射频溅射采用射频电源...

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