本文選題：金屬有機化學氣相沉積　切入點：Al_2O_3薄膜　出處：《山東大學》2016年博士論文

【摘要】：作為第三代半導體材料,寬帶隙透明氧化物半導體材料由于其優(yōu)良的光電特性,一直吸引著研究人員濃厚的研究興趣,并在透明薄膜晶體管、發(fā)光二極管、紫外探測器、激光器、薄膜太陽能電池等領域具有廣泛的應用前景。當今大量使用的氧化物半導體薄膜材料都普遍存在著一個問題即帶隙寬度難以調(diào)節(jié)。隨著透明光電子學和紫外光電子器件的不斷發(fā)展,要求半導體材料的透明區(qū)域向深紫外波段擴展。為了滿足透明電子器件和紫外光電器件快速發(fā)展的需要,非常有必要研究新型的、可調(diào)制禁帶寬度的寬帶隙半導體材料。A1203和In203均為直接帶隙透明氧化物材料,其帶隙寬度分別為8.7 eV和3.7 eV。鋁銦氧化物(Al2In2-2xO3)薄膜材料可以認為是由Al203和In203兩種材料按照不同比例組成的合金材料,可以通過改變材料中Al和In元素比例來實現(xiàn)材料的帶隙在3.7-8.7eV范圍內(nèi)調(diào)制。要獲得性能優(yōu)良的Al2In2-2xO3薄膜使之成為新型的寬帶隙半導體材料以滿足光電器件快速發(fā)展的需要,對Al2In2-2xO3薄膜材料的制備工藝、生長機理、結構和光電特性進行深入系統(tǒng)的研究是非常必要的,不但具有科學意義而且具有一定的前瞻性和實際的應用價值,同時也會為此材料在透明光電器件方面的應用提供必要的參考價值。與分子束外延(MBE)和原子層沉積(ALD)方法相比,金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)工藝更適合于工業(yè)的批量生產(chǎn)。本論文采用MOCVD制備薄膜材料,在制備工藝、生長機制、結構和光電特性等方面對Al2In2-2xO3薄膜材料體系開展了系統(tǒng)的研究。本論文主要分為四部分。第一部分：研究了不同襯底材料和生長溫度等條件對In203薄膜的結構及光電性質(zhì)的影響,制備了高質(zhì)量的單晶In203薄膜；第二部分：制備Al203薄膜并研究了退火處理對薄膜的結構和光學性能的影響,成功制備出γ相Al203單晶外延薄膜；第三部分：在前兩部分的研究基礎上,開展了Al2In2-2xO3(0.1≤x≤09)薄膜的制備和性質(zhì)的系統(tǒng)研究；第四部分：制備了新型材料Al-In-Sn-O(AITO)材料,主要研究了不同Sn含量對薄膜的結構、光學和電學特性的影響。(一)第一部分：使用MOCVD方法,采用高純In(CH3)3作為銦的有機源,以高純O2為氧化劑,超高純N2為載氣,嘗試采用不同襯底例如MgO、SrTi03、KTaO3和藍寶石等來制各In203薄膜,探索了不同的生長溫度對In203薄膜的結構性質(zhì)、光學性質(zhì)和電學性質(zhì)的影響。成功地在MgO(110)晶面上外延生長出高質(zhì)量單晶In203薄膜,制各的薄膜具有立方方鐵錳礦結構,并且600-C下薄膜的結晶質(zhì)量最好。通過多功能X射線衍射儀(MFD-XRD)和高分辨透射電鏡(]HRTEM)詳細研究了600℃下In2O3薄膜的生長機理和微結構,并給出了In2O3薄膜的外延生長關系示意圖。MgO(110)襯底生長In203薄膜的面外外延關系為In2O3(110)//MgO(110),面內(nèi)的外延生長關系為In2O3[001]//MgO[001]和In2O3[110]//MgO[110]薄膜的透過譜測試結果顯示制備的薄膜在可見光區(qū)的平均透過率均超過了76%,其光學帶隙變化范圍為3.55-3.70 eV。薄膜的霍爾遷移率變化范圍在2.593,～6.813 cm2V-1s-1之間,載流子濃度在2.55-7.34×1018cm-3之間；電阻率在3.05-3.96×10-1Ω·cm之間。(二)第二部分：采用Al(CH3)3為鋁的金屬有機源,以高純02為氧化劑,超高純N2為載氣,在700℃的溫度下于MgO襯底(110)和(111)晶面生長出Al2O3薄膜,研究不同的退火溫度對薄膜結構和光學性質(zhì)的影響。退火溫度設置為900℃、1000℃和1100℃。(1)在MgO(110)襯底上生長Al203薄膜,XRD結果表明通過退火處理之后薄膜顯示出γ-Al2O3相結構,并且具有γ-Al2O3(110)方向單一取向。比較不同退火溫度下γ-Al2O3(220)衍射峰的強度和半高寬,得出1000-C退火處理后的樣品具有最佳結晶結構。通過MFD-XRD和HRTEM研究了經(jīng)1000℃退火處理的樣品的生長關系和微結構性質(zhì), 并給出了其外延關系：面外生長關系為γ-Al2O3(110)//MgO(110),面內(nèi)外延關系為γ-Al2O3[001]//MgO[001]和 γ-Al2O3[110]//MgO[110]。退火前后的樣品在可見光區(qū)的平均透過率均超過了84%,退火前薄膜的光學帶隙為5.89 eV,1000℃退火處理后其光學帶隙為5.81eV。(2)MgO(111)襯底上生長的Al2O3樣品經(jīng)退火處理后顯示出具有(111)取向的γ相Al2O33結構,但是含有微量的a相Al2O3成分。XRD結果顯示1000℃退火處理后的樣品具有最好的結晶度。通過MFD-XRD和HRTEM測量,詳細研究了1000℃退火處理后的樣品的生長機制和微觀結構,并給出了γ-Al2O3薄膜的外延生長關系示意圖。Mg0(110)襯底上生長的Al2O3薄膜的外延關系為：面外外延關系γ-Al2O3(111)//MgO(111),面內(nèi)外延關系γ-Al2O3[110]//MgO[110]和 γ-Al2O3[011]//MgO[011]。退火前后的Al2O3薄膜樣品在可見光區(qū)的平均透過率均在83%以上,退火前薄膜的光學帶隙為5.83 eV,1000℃退火處理后其光學帶隙為5.80 eV.(三)第三部分在前兩部分關于In2O3和Al2O3薄膜制備和性能研究基礎上,分別采用高純Al(CH3)3和In(CH3)3為鋁和銦的金屬有機源,采用高純O2作為氧化劑,超高純N2作為載氣,以Mg0(100)和(110)晶面作為襯底材料,選擇不同的沉積溫度,采用MOCVD工藝進行了Al2In2-2xO3薄膜的制備,比較系統(tǒng)的探究了不同組分對薄膜結構和光電性質(zhì)的影響。(1)在600℃下于Mg0(100)襯底上制備了Al2In2-2xO3薄膜,通過XRD和HRTEM測試分析了薄膜的結構性質(zhì)。當x≤0.3時,Al2In2-2xO3薄膜具有沿著(111)方向單取向的方鐵錳礦In2O3結構；當x≥0.5時,Al2In2-2xO3薄膜為非晶結構。對于x≥0.5的薄膜樣品呈現(xiàn)高阻性,故只測量x≤0.4時薄膜的電學性質(zhì)。隨著薄膜樣品中Al含量由x=0.1增加到0.4,樣品的霍爾遷移率從15.2 cm2V-1s-1單調(diào)減小到1cm2V-1s-1.載流子濃度的變化范圍為1.0×1019 cm-3到62×1019cm-3,薄膜電阻率變化范圍為9.2×10-3Ω·cm到8.1×10-2Ω·cm。不同Al含量的薄膜樣品在可見光范圍內(nèi)的平均透過率均超過79%,隨著Al含量從x=0.1增加到0.9,薄膜的光學帶隙從3.67 eV單調(diào)增加到5.38 eV。(2)在600℃下于Mg0(110)襯底上制備了Al2In2-2xO3薄膜,通過XRD測試分析了薄膜的結構性質(zhì)。隨著Al含量的逐漸提升,Al2In2-2xO3薄膜樣品由單晶In2O3結構,轉變?yōu)槎嗑n2O3結構,最后變?yōu)榉蔷ЫY構,薄膜的結晶質(zhì)量逐漸變差。隨著薄膜樣品中Al含量由x=0.1增加到0.4,樣品的霍爾遷移率從12 cm2V-1s-1單調(diào)減小到11 cm2V-1s-1。載流子濃度的變化范圍為8.8×1018 cm-3到6.8×10 19cm-3,薄膜電阻率變化范圍為1.0×10-2 Ω·cm到8.3×10-2 Ω·cm.薄膜樣品在可見光范圍內(nèi)的平均透過率均超過80%,隨著Al含量的增加,薄膜的光學帶隙可實現(xiàn)由3.65 eV到5.57 eV范圍內(nèi)的調(diào)制。(3)在700℃下于Mg0(110)襯底上制備了Al2In2-2xO3薄膜,通過XRD和HRTEM測試詳細分析了薄膜的結構和微結構性質(zhì)。隨著Al含量的逐漸升高,Al2In2-2xO3薄膜由單晶方鐵錳礦In203結構,轉變?yōu)槎嗑ЫY構,最后變?yōu)榱⒎溅?Al2O3結構。薄膜樣品在可見光范圍內(nèi)的平均透過率均超過78%,隨著Al含量的增加,薄膜的光學帶隙可實現(xiàn)由3.73 eV到5.82 eV范圍內(nèi)的調(diào)制。相比于600-C下生長的薄膜,禁帶寬度可調(diào)制范圍更大一些,且禁帶寬度隨Al含量的變化呈現(xiàn)出線性增加關系,更便于帶隙的調(diào)制。(四)第四部分根據(jù)第三部分Al2In2-2xO33薄膜制備和性質(zhì)研究的結果,選取鋁銦原子比x=0.65的Al1.3In0.7O3薄膜作為基礎材料加入錫元素,增加高純的Sn(C2H5)4為Sn的金屬有機源,在MgO襯底(100)和(110)晶面上700℃溫度下制備了Al-In-Sn-O(AITO)薄膜,研究了不同Sn含量對薄膜結構和光電性質(zhì)的影響。(1)在MgO(100)襯底上生長AITO薄膜。結構分析表明隨著Sn含量的增加,薄膜的結構性質(zhì)逐漸改善,并于Sn含量為21%時達到最佳,而Sn含量進一步增加至24%,AITO薄膜的XRD譜出現(xiàn)Sn02衍射峰,薄膜結構變?yōu)榛炀ЫY構。隨著Sn含量由O%增加至24%的范圍內(nèi),薄膜的霍爾遷移率從1.8逐漸升高,并在Sn含量為21%時達到最大值17.5 cm2V-1s-1,當Sn含量進一步增加,霍爾遷移率開始下降。在Sn含量為21%時,薄膜具有最大的載流子濃度3.0x1020 cm-3和最小的電阻率1.4×10-3Ω·cm。不同Sn含量的AITO薄膜的透過率均在78%以上,Sn含量的引入使得AITO的薄膜的光學帶隙由5.42eV逐漸下降至4.18eV,Sn含量為21%的薄膜的光學帶隙為4.45eV。對AITO薄膜的霍爾遷移率、載流子濃度及光學帶隙隨Sn含量的變化原因進行了分析討論。(2)在MgO(110)襯底上生長的AITO薄膜,XRD測試結果分析表明其結晶程度隨著Sn含量的增加而逐漸提高,并于Sn含量為21%時達到最佳。當Sn含量進一步增加至24%時薄膜沒有出現(xiàn)混晶結構情況。HRTEM測試分析表明,Sn含量為21%的AITO薄膜為多晶結構,晶粒排列緊密,晶粒間界成分較少。當Sn含量逐漸增加時,AITO薄膜的霍爾遷移率也逐漸升高,并于Sn含量為21%時達到最大值約為18.5 cm2V-1s-1,對應的載流子濃度為2.56×1020 cm-3,電阻率為1.32×10-3Ω·cm。 AITO薄膜在可見光區(qū)域的平均透過率均超過77%,Sn含量為21%時對應的光學帶隙為4.32eV。
[Abstract]:As a third generation semiconductor material , the wide band gap transparent oxide semiconductor material has been widely used in the fields of transparent thin film transistors , light emitting diodes , UV detectors , lasers , thin film solar cells .
The second part : Al203 thin film was prepared and the effect of annealing treatment on the structure and optical properties of the thin film was studied .
In the third part , the preparation and properties of Al2In2 - 2xO3 ( 0.1 鈮，

本文編號：1725147