CN102110492A

CN102110492A - 掺铜氧化镍导电透明薄膜及其制备方法

Info

Publication number: CN102110492A
Application number: CN2009102005738A
Authority: CN
Inventors: 杨铭; 张群; 施展
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-29

Abstract

本发明属于透明电子学研究领域，具体涉及一种p型导电透明掺铜氧化镍薄膜及其制备方法。本发明提供了一种p型导电透明氧化物半导体薄膜，该薄膜是化学配比为Ni_1-xCu_xO的掺铜氧化镍薄膜，0＜x≤0.3。本发明以普通玻璃为基板，利用Ni_1-xCu_xO的陶瓷靶，通过脉冲等离子体沉积技术，在适当的基板温度、氧气压、脉冲电流和脉冲电压的条件下制备获得。所制备的薄膜具有高电导率、可见光范围内高透射率等优良的光电性能。同时，其制备方法具有操作简便，设备价格相对低廉的优越性。因此，本发明所获得的新型薄膜材料及制备方法，在半导体光电子领域具有一定的应用潜力。

Description

掺铜氧化镍导电透明薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于透明电子学(Transparent Electronics)研究领域，具体涉及一种p型导电透明掺铜氧化镍薄膜及其制备方法。

背景技术

到目前为止，性能不断提升的透明氧化物半导体(TransparentOxide Semiconductor，TOS)材料均为n型半导体，与之对应的p型材料则一直未能有重大进展，因而无法合成高质量的透明氧化物pn结，从而限制了TOS材料在半导体光电子器件领域的应用。p型透明氧化物半导体已经成为透明电子学发展的瓶颈材料，在材料的选择、导电机理及合成工艺等方面都有待进一步研究。

NiO是一种宽禁带p型半导体材料，对其进行适当的掺杂可以提高其在室温下的电导率。脉冲等离子体沉积技术(Pulsed PlasmaDeposition，PPD)同脉冲激光沉积(PLD)方法类似，均是基于烧蚀镀膜的过程，即把一个很高的能量瞬间转移到靶材表面的很小部位，造成其温度高于升华限制，这样靶材就被烧蚀出来并利用剩余的动能运动到基板表面而沉积形成薄膜。PPD具有与PLD同样的有效性和普适性，但操作上更为简单，设备成本更为低廉。因此，采用脉冲等离子体沉积技术制备研究p型掺杂氧化镍薄膜是一项十分有意义的研究工作。

发明内容

本发明目的是提供一种可应用于半导体光电子器件的、高质量的p型透明氧化物半导体薄膜。

本发明的另一个目的是提供上述p型透明氧化物半导体薄膜的制备方法。

本发明提供了一种p型导电透明氧化物半导体薄膜，该薄膜的材料是化学配比为Ni_1-xCu_xO的掺铜氧化镍薄膜。所述的x的范围是0＜x≤0.3，例如0.05，0.1，0.2，0.25，0.3，等等。本发明的一个实施例表明，x＝0.1时获得的p型透明氧化物半导体薄膜具有高电导率、可见光范围内高透射率等优良的光电性能。用同样的方法制备和检测的、成份为Ni_0.8Cu_0.2O和Ni_0.7Cu_0.3O的薄膜也具有较好的电导率和透射率。

上述p型导电透明氧化物半导体薄膜，可以采用脉冲等离子体沉积法制备获得。

本发明还提供了上述p型导电透明氧化物半导体薄膜的制备方法，即脉冲等离子体沉积法。该方法可以以Ni_1-xCu_xO陶瓷靶为烧蚀靶材，以普通载玻片为基板，在合适的工艺参数下，利用脉冲电子束轰击靶材，使靶材被烧蚀出来并利用剩余的动能运动到基板表面而沉积形成薄膜；其中，0＜x≤0.3。

作为基板的可以包括成份为SiO₂的普通玻璃。

所述的x的范围是0＜x≤0.3，例如0.05，0.1，0.2，0.25，0.3，等等。

其中，基板温度的变化范围可以为室温到400℃。靶表面与石英管、基板的距离可以分别为2-5mm和15-35mm。例如，靶表面与石英管距离为2、3、4mm等，靶表面与基板的距离为15、18、20、25、30、33、35mm等。工作气体可以设定为O₂，气压维持在2.0～4.0Pa。工作电压可以采用-15～-19kV。工作电流范围2.1～4.2mA。脉冲电子束重复频率2.0Hz。生长时间为30～90分钟。

实验结果表明，本发明制备的掺铜氧化镍薄膜，最高电导率达到5.17S·cm^-1(电阻率为1.93×10^-1Ωcm)，载流子迁移率0.42cm²V^-1s^-1，载流子浓度7.75×10¹⁹cm^-3，可见光区域平均透射率高于60％，是一种光电性能优良的新型p型透明氧化物半导体材料。所采用的PPD技术设备价格相对低廉，操作简单，是一种制备高质量p型导电透明氧化物薄膜的新方法。

本发明提供了一种可应用于半导体光电子器件的、高质量的p型透明氧化物半导体薄膜。同时，其制备方法具有操作简便，设备价格相对低廉的优越性。因此，本发明所获得的新型薄膜材料及制备方法，在半导体光电子领域具有一定的应用潜力。

附图说明

图1是Ni_0.9Cu_0.1O薄膜随沉积温度变化的XRD曲线。

图2是Ni_0.9Cu_0.1O薄膜的电阻率、载流子迁移率和载流子浓度随沉积温度变化的关系曲线。

图3是Ni_0.9Cu_0.1O薄膜随沉积温度变化的透射光谱曲线。

具体实施方式

按化学剂量比Ni_0.9Cu_0.1O制备圆形陶瓷靶，靶直径为23.4mm。采用PPD制备薄膜：基片是普通载玻片，并先后经过去离子水、丙酮和酒精超声波清洗各20分钟；靶表面和石英导管间距固定为4mm，靶表面距基板距离为25mm；基板温度变化范围为室温到400℃；设定O₂为工作气压，用Bronkhorst公司的质量流量计控制其流量，使工作气压为3.0Pa；HCL 140-20000型高压直流功率输出源设定工作电压和电流分别为-18.0kV和3.0mA；脉冲电子束频率是2.0Hz；薄膜沉积时间约45分钟。

实验结果如附图所示，图2中，室温制备的Ni_0.9Cu_0.1O薄膜电学性能最佳，电阻率为1.93×10^-1Ωcm(电导率5.17S cm^-1)，薄膜为非晶结构(见图1)。随着温度的增加，薄膜的晶格结构逐渐由非晶态转变为多晶氧化镍的结构(见图2)，可见光区域的平均透射率从60％增加到82％(见图3)。

Claims

1.一种p型导电透明氧化物半导体薄膜，其特征是该薄膜的材料是化学配比为Ni_1-xCu_xO的掺铜氧化镍薄膜，0＜x≤0.3。

2.根据权利要求1所述的p型导电透明氧化物半导体薄膜，其特征是所述的x＝0.1。

3.根据权利要求1所述的p型导电透明氧化物半导体薄膜，其特征是该薄膜采用脉冲等离子体沉积法制备获得。

4.权利要求1所述的p型导电透明氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征是所述的方法是脉冲等离子体沉积法。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是以Ni_1-xCu_xO陶瓷靶为烧蚀靶材，以普通载玻片为基板，利用脉冲电子束轰击靶材，使靶材被烧蚀出来并利用剩余的动能运动到基板表面而沉积形成薄膜；其中，0＜x≤0.3。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是基板温度的变化范围为室温到400℃。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是脉冲电子束重复频率1.5～2.5Hz。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是沉积时间为30～90分钟。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是工作电压-15～-19kV，工作电流2.1～4.2mA。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征是脉冲电子束轰击靶材所使用的工作气体设定为O₂，气压维持在2.0～4.0Pa。