P型透明导电氧化物CuAlO,2系薄膜的取向调制及掺杂改性研究

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1、摘要’摘要透明导电氧化物(TCO)和传统的半导体(比如Si、Ge和GaAs)相比，既能透过可见光又能吸收紫外光，并将紫外光转换成电能，被广泛应用于很多产业中，比如紫外发光二极管、功能窗口等。但是，能满足工业应用的TCO大多是rl型半导体，而P型TCO的导电性能太低，这种不平衡的发展态势是阻碍透明pn结或透明器件具有更重要应用的主要壁垒。针对TCO材料的这种不平衡发展状况，本论文选取P型TCO代表性材料CuAl02薄膜为主要研究对象，以较低成本、更宜与微电子工业生产接轨的磁控溅射技术，在石英衬底上沉积P型TCOCuAl02薄膜，在兼顾可见光透过性能的前提下，

2、重点通过调控薄膜取向获取高的载流子迁移率，以及三价Al位的有效受主掺杂获取高的载流子浓度两个方面来提高薄膜的电导率，制备出高性能的P型TCOCuAl02薄膜，取得的重要研究进展如下：1．提出利用CuAl02各向异性的电学特性，提高CuAl02薄膜电导率的研究思路；结合薄膜的生长理论，通过控制溅射离子的平均自由程和薄膜的形核密度，制备出(001)择优取向的CuAl02薄膜。研究结果表明：薄膜的取向调节是控制载流子迁移率的关键性因素，(000取向越强，载流子的迁移率越高，薄膜电导率越大；通过调控其取向生长，所获薄膜的高迁移率可控，重复性较强；建立Y(000取向

3、薄膜的生长模型，为以后高迁移率薄膜的制备奠定了理论和实验基础。2．发展了间隙O和金属离子的双受主掺杂技术，解决了O空位施主的自补偿效应——困扰CuAl02受主掺杂的关键问题，制备高载流子浓度、高电导率的CuAl02掺杂薄膜。具体的研究结果表明：受主杂质的掺入可以有效提高薄膜内载流子浓度，使电导率有数量级的提高，最高电导率为O．31Scm～，比唯一报道利用受主N掺杂CuAl02的电导率高一个数量级；较大离子半径受主杂质的掺入，对于薄膜晶格的完整性有一定程度的破坏，以及载流子浓度的提升均造成载流子散射的增加，迁移率略有下降；载流子浓度的上升，带来对光子的吸收增

4、加，可见光透过率下降；通过对掺杂薄膜品质因数的拟合结果可知，掺杂有效提高了薄膜的综合性能。3．针对铜铁矿结构，基于CMVB理论，选择具有较大离子半径的三价阳离子，为产生富余O受主提供有利环境，探索出一种制备高电导率P型材料的新思路，制备了新的P型透明导电材料CuNd02。研究结果表明：正的Hall系数和seebeck证实材料的P型导电类型，对应于EDS的结果可知，空穴的产生根源源于间隙氧；DOS计算的结果表明，CuNd02的价带顶主要由O2p和Cu3d轨道耦合而成，比较适宜空穴载流子的迁移；其室温电导率大约为0．027Scm-l，测试的光学带隙值约为3．1

5、4eV，符合可见光透过的要求，这是首次报道CuNd02北京工业大学工学博士学位论文具有P型透明导电特性，为进一步开展研究以及将cuNd02薄膜化奠定了基础。关键词：p型透明导电氧化物；CuAl02薄膜：取向；掺杂；电学和光学特性ⅡABS丁RACTABSTRACTUnlikeconventionalsemiconductorssuchasSi，Ge，andGaAs，transparentconductingoxide(TCO)canallowvisiblelighttobepassedthroughandabsorbUVlight．Thetransparen

6、tconductingdeviceswouldleadtOnumerousapplications，suchasultraviolet—emittingdiodes，andfunctionalwindows，notonlytransmittingvisiblelight，butalsoconvertingUVlightintoelectricpower．Unfortunately，comparedtothen-typeTCOthatiswelldeveloped，theconductivityofp-typeTCOisfarbelowthatofn-typ

7、eones，whichisthemainbarriertothesuccessfulapplicationsoftransparentpnjunctionsordevices．Inthiswork，theCuAl02thinfilms(therepresentationofp-TCOthin-filmmaterials)weredepositedbytheradiofrequencymagnetronsputteringtechnique，whichisabletocompatiblewithcurrentmicroelectronics．Wehavepr

8、eparedp-typeTCOCuAl02thinfilmswit