共溅射法制备Cu掺杂ZnO薄膜结构及性能的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)吉首大学物理与机电工程学院 作者:郝嘉伟

  采用直流与射频双靶共溅射的方法在玻璃衬底上制备Cu掺杂的ZnO薄膜,并研究了Cu的溅射功率以及氧分压对薄膜结构和光电性能的影响,利用X射线衍射仪(XRD)、紫外可见光分光光度计(UV-VIS)以及霍尔测试仪(HALL8800)分别对样品的结构、光学特性以及电学特性进行表征,结果表明,薄膜的结晶质量随Cu溅射功率的增大有所提高,超过一定范围开始降低,而透过率则一直减小,增大氧分压可以改善样品的透过率。Cu的掺入使薄膜发生了由n型向p型的转变,且富氧条件下有利于这种转变。

  作为第三代化合物半导体材料的ZnO,具有3.37eV的禁带宽度以及高达60meV的激子束缚能,在制备蓝光或紫外光等光电器件上展现出更广阔的应用前景。ZnO:Cu(ZCO)是通过在ZnO中掺入Cu而形成的一种与ZAO(ZnO:Al)相似的透明导电氧化物薄膜,Cu以替位的形式取代ZnO中的Zn离子,具有和ITO类似的光电性能。并且Cu的掺入能给体系中引入自旋,自从ZnO被预测有望制得居里温度高于室温的稀磁半导体以后,对Cu掺杂ZnO薄膜的研究掀起了新的热潮。与其他半导体材料相比,ZnO无毒、原料易得,并且价格低廉,因此受到国内外的广泛关注。

  对ZnO进行掺杂可获得具有优良光学性能和电学性能的透明导电氧化物薄膜,尤其当掺杂源为过渡金属时,薄膜本身会呈现出一些新的性质,作为过渡金属元素的Cu具有和Zn相似的电子壳层结构,并且其物理和化学性质与Zn相类似,这使得Cu容易进入ZnO晶格中。为了实现ZnO基半导体器件在实际中的大规模应用,需要制备高质量的n型ZnO和p型ZnO,其中如何制备出高质量的p型ZnO成为制约ZnO基半导体器件发展的决定性因素。本文通过采用新的制备方法(直流-射频双靶共溅射)成功制备出Cu掺杂的p型ZnO薄膜。并分析了Cu靶溅射功率与氧分压对薄膜结构及性能的影响。

1、实验

  采用JGP-450A型磁控溅射沉积系统,通过直流-射频反应共溅射的方法制备ZCO薄膜,金属Zn(99.99%)与金属Cu(99.99%)为靶材。直流溅射与射频溅射对于纯金属靶材其溅射组分是一样的,只有溅射速率不同,相同功率下射频溅射速率较低。在本实验中,所需样品的Cu掺杂浓度均较低,故Zn靶采用直流溅射,Cu靶采用射频溅射,以便提高Cu靶功率,从而使实验精度得以提升。氧气(99.999%)为反应气体,氩气(99.999%)为溅射气体,衬底为普通载玻片(#7101),衬底温度250℃,衬底与靶材间距离为60mm,本底真空为4×10-4Pa,溅射气压保持2.0Pa不变,制备前依次用丙酮、无水酒精、去离子水超声波清洗基底,并在真空干燥箱中烘干。溅射开始时先通氩气进行预溅射除去靶材表面的氧化物以达到清洗靶材的目的,预溅射时间为30min。制备过程中通过改变Cu靶的溅射功率来控制Cu的掺杂浓度,Zn靶溅射功率保持50W不变。

  利用X射线衍射仪(RigakuD/max-rB,日本理学电机)对薄膜的结构进行表征,分析不同Cu溅射功率以及不同氧分压下薄膜的结晶质量以及主峰峰位的变化。用紫外可见光分光光度计(UV2450,日本岛津)测量薄膜的透过率随溅射功率以及氩氧比的变化;用霍尔效应测试仪(HALL8800,台湾飞白技术服务股份有限公司)测量薄膜的电阻率、载流子浓度、迁移率以及导电类型,并探究溅射功率和氩氧比的对其电学性质的影响。所有测试均在室温下进行。

3、结论

  采用直流与射频共溅射的方法分别在氩氧比为6:1和2:1的条件下制备不同Cu掺杂浓度的ZnO薄膜,比较了氧分压以及Cu靶溅射功率对薄膜结构及光电性能的影响。XRD分析表明,Cu的引入使薄膜的择优取向增强,适当的掺杂浓度可以提高薄膜的结晶质量,超过一定范围结晶质量下降,在富氧条件下制备的薄膜结晶质量均有所提高。光透过率测试结果表明,掺杂样品的可见光透过率比本征ZnO要小,并随掺杂浓度的增加呈减小趋势,且短波吸收限发生红移。增大氧分压会改善薄膜的可见光透过率,使制备的样品达到80%以上。在对薄膜电学特的研究过程中发现,样品发生n型向p型的转变,增加起受主作用杂质的浓度或减小补偿受主杂质的施主缺陷的浓度均有助于制备p型薄膜。

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