共溅射法制备Cu掺杂ZnO薄膜结构及性能的研究

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟

共溅射法制备 Cu 掺杂 ZnO 薄膜结构及性能的研究

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-V

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 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

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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 乘以 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。 共溅射法制备 Cu 掺杂 ZnO 薄膜结构及性能的研究 tips:感谢大家的阅 读，本文由我司收集整编。仅供参阅！