采用直流與射頻雙靶共濺射的方法在玻璃襯底上制備Cu摻雜的ZnO薄膜，并研究了Cu的濺射功率以及氧分壓對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和光電性能的影響，利用X射線衍射儀(XRD)、紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)(UV-VIS)以及霍爾測(cè)試儀(HALL8800)分別對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性以及電學(xué)特性進(jìn)行表征，結(jié)果表明，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量隨Cu濺射功率的增大有所提高，超過(guò)一定范圍開(kāi)始降低，而透過(guò)率則一直減小，增大氧分壓可以改善樣品的透過(guò)率。Cu的摻入使薄膜發(fā)生了由n型向p型的轉(zhuǎn)變，且富氧條件下有利于這種轉(zhuǎn)變。

　　作為第三代化合物半導(dǎo)體材料的ZnO，具有3.37eV的禁帶寬度以及高達(dá)60meV的激子束縛能，在制備藍(lán)光或紫外光等光電器件上展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。ZnO:Cu(ZCO)是通過(guò)在ZnO中摻入Cu而形成的一種與ZAO(ZnO：Al)相似的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，Cu以替位的形式取代ZnO中的Zn離子，具有和ITO類似的光電性能。并且Cu的摻入能給體系中引入自旋，自從ZnO被預(yù)測(cè)有望制得居里溫度高于室溫的稀磁半導(dǎo)體以后，對(duì)Cu摻雜ZnO薄膜的研究掀起了新的熱潮。與其他半導(dǎo)體材料相比，ZnO無(wú)毒、原料易得，并且價(jià)格低廉，因此受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

　　對(duì)ZnO進(jìn)行摻雜可獲得具有優(yōu)良光學(xué)性能和電學(xué)性能的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，尤其當(dāng)摻雜源為過(guò)渡金屬時(shí)，薄膜本身會(huì)呈現(xiàn)出一些新的性質(zhì)，作為過(guò)渡金屬元素的Cu具有和Zn相似的電子殼層結(jié)構(gòu)，并且其物理和化學(xué)性質(zhì)與Zn相類似，這使得Cu容易進(jìn)入ZnO晶格中。為了實(shí)現(xiàn)ZnO基半導(dǎo)體器件在實(shí)際中的大規(guī)模應(yīng)用，需要制備高質(zhì)量的n型ZnO和p型ZnO，其中如何制備出高質(zhì)量的p型ZnO成為制約ZnO基半導(dǎo)體器件發(fā)展的決定性因素。本文通過(guò)采用新的制備方法(直流-射頻雙靶共濺射)成功制備出Cu摻雜的p型ZnO薄膜。并分析了Cu靶濺射功率與氧分壓對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)及性能的影響。

1、實(shí)驗(yàn)

　　采用JGP-450A型磁控濺射沉積系統(tǒng)，通過(guò)直流-射頻反應(yīng)共濺射的方法制備ZCO薄膜，金屬Zn(99.99%)與金屬Cu(99.99%)為靶材。直流濺射與射頻濺射對(duì)于純金屬靶材其濺射組分是一樣的，只有濺射速率不同，相同功率下射頻濺射速率較低。在本實(shí)驗(yàn)中，所需樣品的Cu摻雜濃度均較低，故Zn靶采用直流濺射，Cu靶采用射頻濺射，以便提高Cu靶功率，從而使實(shí)驗(yàn)精度得以提升。氧氣(99.999%)為反應(yīng)氣體，氬氣(99.999%)為濺射氣體，襯底為普通載玻片(#7101)，襯底溫度250℃，襯底與靶材間距離為60mm，本底真空為4×10-4Pa，濺射氣壓保持2.0Pa不變，制備前依次用丙酮、無(wú)水酒精、去離子水超聲波清洗基底，并在真空干燥箱中烘干。濺射開(kāi)始時(shí)先通氬氣進(jìn)行預(yù)濺射除去靶材表面的氧化物以達(dá)到清洗靶材的目的，預(yù)濺射時(shí)間為30min。制備過(guò)程中通過(guò)改變Cu靶的濺射功率來(lái)控制Cu的摻雜濃度，Zn靶濺射功率保持50W不變。

　　利用X射線衍射儀(RigakuD/max-rB，日本理學(xué)電機(jī))對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，分析不同Cu濺射功率以及不同氧分壓下薄膜的結(jié)晶質(zhì)量以及主峰峰位的變化。用紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)(UV2450，日本島津)測(cè)量薄膜的透過(guò)率隨濺射功率以及氬氧比的變化;用霍爾效應(yīng)測(cè)試儀(HALL8800，臺(tái)灣飛白技術(shù)服務(wù)股份有限公司)測(cè)量薄膜的電阻率、載流子濃度、遷移率以及導(dǎo)電類型，并探究濺射功率和氬氧比的對(duì)其電學(xué)性質(zhì)的影響。所有測(cè)試均在室溫下進(jìn)行。

3、結(jié)論

　　采用直流與射頻共濺射的方法分別在氬氧比為6:1和2:1的條件下制備不同Cu摻雜濃度的ZnO薄膜，比較了氧分壓以及Cu靶濺射功率對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)及光電性能的影響。XRD分析表明，Cu的引入使薄膜的擇優(yōu)取向增強(qiáng)，適當(dāng)?shù)膿诫s濃度可以提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量，超過(guò)一定范圍結(jié)晶質(zhì)量下降，在富氧條件下制備的薄膜結(jié)晶質(zhì)量均有所提高。光透過(guò)率測(cè)試結(jié)果表明，摻雜樣品的可見(jiàn)光透過(guò)率比本征ZnO要小，并隨摻雜濃度的增加呈減小趨勢(shì)，且短波吸收限發(fā)生紅移。增大氧分壓會(huì)改善薄膜的可見(jiàn)光透過(guò)率，使制備的樣品達(dá)到80%以上。在對(duì)薄膜電學(xué)特的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，樣品發(fā)生n型向p型的轉(zhuǎn)變，增加起受主作用雜質(zhì)的濃度或減小補(bǔ)償受主雜質(zhì)的施主缺陷的濃度均有助于制備p型薄膜。