磁控濺射AlN:Mg/ZnO:Al 異質(zhì)結(jié)二極管及其光電特性的研究*

趙啟義，祁康成 ，李國(guó)棟，李 鵬

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都610054)

關(guān)于ZnO 的研究越來(lái)越受到眾多科研人員的重視，尤其是ZnO:Al 的薄膜的研究與應(yīng)用。Al 取代ZnO 結(jié)構(gòu)中的Zn 原子，形成導(dǎo)電性能好、透過(guò)率高的ZnO:Al 薄膜，廣泛應(yīng)用于平板顯示、太陽(yáng)電池、發(fā)光LED 等光電器件透明電極，與ITO 相比ZnO:Al 薄膜具有原材料豐富和無(wú)毒無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)［1］。ZnO:Al 薄膜作為一種n 型摻雜的半導(dǎo)體透明導(dǎo)電薄膜，禁帶寬度約為3.5 eV，可以應(yīng)用于透明電極和n 型寬禁帶半導(dǎo)體［2］，如太陽(yáng)電池的窗口層［3］。

氮化鋁(AlN)是一種寬禁帶的直接帶隙Ⅲ－Ⅴ族化合物，禁帶寬度6.13eV［4］，常溫常壓下具有纖鋅礦晶格結(jié)構(gòu)(a=0.311 nm，c=0.498 nm)。AlN有豐富的原材料，良好的物理化學(xué)性質(zhì)，無(wú)毒透明，應(yīng)用廣泛，如作為體聲波濾波器的壓電材料［5］，耐磨材料，絕緣材料［6］等，近年來(lái)對(duì)于AlN 的半導(dǎo)體特性研究也越來(lái)越多，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)摻雜Ⅱ族元素可以改變AlN 為P 型半導(dǎo)體材料。對(duì)于AlN 的摻雜近年來(lái)國(guó)內(nèi)外做了大量研究，主要是針對(duì)C，Si 元素［7］和Ⅱ族元素(Be，Mg，Ca)［8－9］.利用AlN 的寬禁帶、透明、無(wú)毒的性質(zhì)，以及原材料來(lái)源廣泛，制備工藝簡(jiǎn)單，適用于硅太陽(yáng)電池窗口層。論文主要研究在摻Al 的ZnO(ZnO:Al)薄膜基底上反應(yīng)磁控濺射制備進(jìn)行Mg 摻雜AlN(AlN:Mg)。通過(guò)優(yōu)化濺射中的氮?dú)灞群桶胁闹蠱g 含量等參數(shù)來(lái)研究AlN:Mg/ZnO:Al 薄膜的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)性質(zhì)。

目前制備AlN:Mg 和ZnO:Al 的技術(shù)有很多，比如溶膠－凝膠，化學(xué)氣相沉積，磁控濺射等。由于磁控濺射鍍膜技術(shù)操作簡(jiǎn)單、溫度要求低、濺射氣壓低、鍍膜速度快、成膜粘附性好而被廣泛采用。本實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射方法在ITO 玻璃上依次濺射AlN:Mg 和ZnO:Al 薄膜。制備如圖1 所示的透明異質(zhì)結(jié)二極管結(jié)構(gòu)。

圖1 AlN:Mg/ZnO:Al 異質(zhì)結(jié)二極管結(jié)構(gòu)

1 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

1.1 實(shí)驗(yàn)

首先，實(shí)驗(yàn)采用直流反應(yīng)磁控濺射方法，在ITO玻璃基底上濺射AlN:Mg 薄膜。優(yōu)化后的工藝材料與參數(shù)如下表1。其次，利用射頻磁控濺射在AlN:Mg 薄膜上濺射ZnO:Al 薄膜，優(yōu)化后的工藝參數(shù)如表2。

表1 磁控濺射AlN:Mg 薄膜的工藝參數(shù)

表2 磁控濺射ZnO:Al 薄膜的工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)鍍膜設(shè)備采用成都齊興真空鍍膜設(shè)備有限公司生產(chǎn)的QX－500 磁控濺射多靶鍍膜機(jī)。濺射前均采用10 min 氬氣流量為25 sccm 的預(yù)濺射，然后通入反應(yīng)氣體，調(diào)節(jié)流量進(jìn)行5 min 左右的反應(yīng)預(yù)濺射，待輝光穩(wěn)定后打開(kāi)基片擋板開(kāi)始濺射。

1.2 測(cè)試

采用上海彼愛(ài)姆光學(xué)儀器制造有限公司生產(chǎn)的6JA 干涉顯微鏡測(cè)試AlN:Mg 薄膜和ZnO:Al 薄膜的厚度，UV－1700 型分光光度計(jì)測(cè)試薄膜的透過(guò)率，KEITHLEY4200－SCS 半導(dǎo)體測(cè)試儀測(cè)試異質(zhì)結(jié)的I－V 特性，JSM－6490LV 型掃描電子顯微鏡分析薄膜表面形貌及成分。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)表1 和表2 中優(yōu)化的參數(shù)制備出AlN:Mg/ZnO:Al 薄膜，使用6JA 干涉顯微鏡測(cè)得AlN:Mg 薄膜和ZnO:Al 薄膜的厚度分別約為100 nm 和350 nm。Al 摻雜的ZnO 薄膜的制膜本實(shí)驗(yàn)室已有相關(guān)研究［1，10］，圖2 和圖3 分別是分析AlN:Mg 薄膜的成分(EDS 譜)和AlN:Mg 薄膜和ZnO:Al 薄膜［10］表面形貌對(duì)比(SEM)圖。測(cè)試樣品的基底為單晶硅片，工藝參數(shù)與異質(zhì)結(jié)中AlN:Mg 薄膜一致。6JA 型干涉顯微鏡測(cè)得AlN:Mg 薄膜的厚度為116 nm，由于膜厚比較薄，電子很容易擊穿AlN:Mg薄膜打在基片上，所以圖2 中基底硅的峰值最高。由于氮的原子序數(shù)較小，JSM－6490LV 型掃描電子顯微鏡對(duì)原子序數(shù)較小的元素靈敏度較低，即譜中氮的峰值比較微弱;鋁和鎂的峰值相對(duì)較強(qiáng)，且鋁的峰值明顯要強(qiáng)于鎂的峰值。JSM－6490LV 型掃描電子顯微鏡自修正的質(zhì)量和原子比例(Wt%和At%)如圖2 中表格所示，薄膜中MgK 的At%為0. 64，AlK 的At%為5.16%，即薄膜中鋁鎂原子比約為8 ∶1，與實(shí)際靶材的鋁鎂比例19 ∶1相比小很多，說(shuō)明濺射過(guò)程中鎂原子比鋁原子更容易濺射到基底上。EDS 圖譜中很難看出其他峰，這表明制備的薄膜主要成分為鋁、鎂、氮，且Mg 原子有效的摻入AlN，取代AlN 中的Al，形成具有P 型半導(dǎo)體特性的AlN:Mg 薄膜。ZnO:Al 薄膜具有良好的導(dǎo)電性［2］，所以AlN 薄膜電阻率過(guò)大直接影響到整個(gè)器件的開(kāi)路電壓和短路電流，由于AlN 本身是一種透明的絕緣層，導(dǎo)電性能差，在制備AlN:Mg/ZnO:Al 異質(zhì)結(jié)時(shí)AlN:Mg 膜層既要防止表面孔徑過(guò)大又要盡量做的薄一些(實(shí)驗(yàn)中薄膜膜厚為100 nm)。AlN:Mg 薄膜中Mg 的摻入替位Al 摻雜在AlN 的價(jià)帶頂引入了受主態(tài)，明顯提高了AlN 薄膜的電導(dǎo)率［9］，有效地降低了AlN 薄膜的電阻使器件的開(kāi)路電壓降低，短路電流增大。

圖2 Si 基底上的AlN:Mg 薄膜的EDS 譜

圖3是掃描電子顯微鏡下AlN:Mg 薄膜和ZnO:Al 薄膜的表面形貌，在微米量級(jí)下很難看出薄膜缺陷，這表明本實(shí)驗(yàn)工藝下制備的AlN:Mg 薄膜均勻、致密、納米量級(jí)的材料表面孔徑，與ZnO:Al薄膜［10］相比更加細(xì)密。

圖3 AlN:Mg 薄膜和ZnO:Al 薄膜的SEM 圖

KEITHLEY4200－SCS 半導(dǎo)體測(cè)試儀測(cè)得AlN:Mg/ZnO:Al 異質(zhì)結(jié)的I－V 特性曲線如圖4 所示。圖4 表明AlN:Mg/ZnO:Al 異質(zhì)結(jié)具有明顯的二極管整流特性，正向偏壓在3 V 左右，二極管正向?qū)?，正向偏? V 處，正向電流達(dá)到7 mA。圖中對(duì)比在有無(wú)光照下二極管的I－V 曲線變化，與無(wú)光照相比，有光照的曲線在反向電壓為4 V 時(shí)，反向電流由低于2 mA 升至3 mA，這種變化主要由于ZnO 和AlN 均是寬禁帶的直接帶隙材料，對(duì)紫外光波段都表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收特性，如圖5 所示。

圖4 異質(zhì)結(jié)的I－V 曲線

圖5 不同膜層的透過(guò)率以及器件總透過(guò)率

圖5 為使用UV－1700 型分光光度計(jì)測(cè)試的薄膜透過(guò)率，圖中顯示了器件各膜層以及整個(gè)異質(zhì)結(jié)器件的透過(guò)率，ITO 導(dǎo)電薄膜的厚度為70 nm，優(yōu)化后的AlN:Mg 薄膜和ZnO:Al 薄膜的厚度為100 nm和350 nm。圖5 表明AlN:Mg/ZnO:Al 薄膜異質(zhì)結(jié)對(duì)紫外光吸收很強(qiáng)，ZnO:Al 薄膜透過(guò)率的截止波長(zhǎng)約為370 nm，AlN:Mg 薄膜透過(guò)率的截止波長(zhǎng)在300 nm 左右。但是，在可見(jiàn)光區(qū)域AlN:Mg 薄膜的透過(guò)在95%以上，ZnO:Al 薄膜的平均透過(guò)率達(dá)到90%，整個(gè)異質(zhì)結(jié)器件的平均透過(guò)率達(dá)到85%，所以本實(shí)驗(yàn)制備的AlN:Mg/ZnO:Al 薄膜異質(zhì)結(jié)是一種在可見(jiàn)光區(qū)域具有高透過(guò)率性質(zhì)的pn 結(jié)二極管。

3 結(jié)論

采用磁控濺方法在ITO 玻璃基底上分別濺射AlN:Mg 薄膜、ZnO:Al 薄膜，成功制備AlN:Mg/ZnO:Al 透明異質(zhì)結(jié)二極管。結(jié)果表明:AlN:Mg/ZnO:Al 異質(zhì)結(jié)具有明顯的I－V 整流特性，正向開(kāi)啟電壓1 V 左右，在1.5 AM 的光照下，二極管的反向電流在5 V 偏置時(shí)達(dá)到3 mA。二極管在可見(jiàn)光區(qū)域的平均透過(guò)率在80%以上。ZnO:Al 薄膜作為太陽(yáng)電池背電極已成研究熱點(diǎn)［11］，且AlN 熱膨脹系數(shù)與硅相匹配［12］，AlN:Mg/ZnO:Al 薄膜異質(zhì)結(jié)適用于p－i－n 型非晶硅太陽(yáng)電池窗口層的研究。

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