高質量氧化亞銅薄膜及其相關功能器件的制備與性質研究.pdf

1、氧化亞銅(Cu2O)為一種本征p型無機半導體材料，因其具有高光學吸收系數和空穴遷移率、制備工藝簡單、儲備豐富和環(huán)境友好等優(yōu)點，太陽能電池和薄膜晶體管等領域有著重要的應用前景。然而，目前報道的Cu2O基太陽能電池和薄膜晶體管的性能均不夠理想，這主要是由于其Cu2O薄膜的晶體生長方向、微觀結構以及載流子的產生和輸運不能被很好的調控，從而導致薄膜的結構和電學性質仍有待提高。因此，通過探索和研究新的薄膜生長工藝，獲得兼具低電阻率和高霍爾遷移率的

2、高質量Cu2O薄膜，是提高Cu2O基功能器件性能的必要條件。在上述背景下，本論文開展了對脈沖激光沉積(PLD)法高質量Cu2O及其薄膜晶體管的研究。本論文主要的研究工作及結果如下:
　　(1)PLD法生長Cu2O薄膜的基礎工藝探索
　　研究了PLD沉積過程中羽輝粒子和的擴散傳播方式，發(fā)現液滴的擴散傳播比羽輝粒子更為密集的約束在靶材法向上，因此將襯底放置在與羽輝擴散不同軸處可以有效的減少薄膜上液滴的數量。另外由于羽輝粒子的有效

3、擴散傳播距離要大于液滴顆粒，所以增加靶材和襯底之間的距離也可以減少液滴的數量。最后，通過掃描電鏡觀測薄膜微觀形貌和電學性能測試，發(fā)現較大的激光能量密度下制備薄膜的質量更好。
　　(2)高質量單晶Cu2O薄膜的制備及其性質研究
　　通過調節(jié)PLD生長時的氧氣壓強在MgO(110)襯底上制備出了兼具低電阻率和高遷移率的單晶Cu2O薄膜。X射線衍射(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)的測試結果表明在氧氣壓強0.06和0.09Pa條

4、件下生長的薄膜為純相Cu2O，并且在0.09Pa條件下生長的高質量Cu2O和襯底的外延關系為Cu2O(110)∥MgO(110)以及Cu2O(001)∥MgO(001)。0.09Pa條件下制備的Cu2O薄膜具有較高的透過率和2.56eV的光學帶隙。通過霍爾測試可知，在0.09Pa條件下制備的Cu2O薄膜具有目前報道的最低的電阻率6.67Ωcm以及較高的霍爾遷移率23.75cm2v-1s-1。
　　(3)具有多重疇結構的Cu2O薄膜

5、的制備及其性質研究
　　用PLD法在摻銥氧化鋯(YSZ)(100)襯底上生長了Cu2O薄膜，詳細研究了不同氧氣壓強對于薄膜性質的影響。薄膜的表面形貌、物相和晶體結構受到氧氣壓強明顯的影響。0.09Pa下制備的薄膜為純相Cu2O并且具有最好的結晶質量，其面外外延關系為Cu2O(110)∥YSZ(100)并且存在了六重疇結構，與之相關的面內外延關系也被清晰的推斷得出。0.09Pa下制備的Cu2O薄膜具有最低的電阻率13.4Ωcm和最高

6、的霍爾遷移率16.3cm2v-1s-1。在0.02-0.12Pa的氧氣壓強下，薄膜的光學帶隙在2.37到2.57eV的范圍內變化。
　　(4)基于氧化亞銅的薄膜晶體管的制備與性能研究
　　在SiO2/Si襯底上以PLD法生長的Cu2O薄膜作為有源層，以Au作為電極，制備出了底柵頂接觸結構的p型Cu2O薄膜晶體管。通過對Cu2O TFT的溝道進行適當的N2等離子體處理，可以在一定程度上調控有源層的載流子濃度，提高器件的開關比。