Thạc Sĩ Nghiên cứu chế tạo màng mỏng dẫn điện trong suốt ZnO pha tạp loại p bằng phương pháp phún xạ magnetr

MỞ ĐẦU

Ngày nay, việc nghiên cứu chế tạo các loại màng mỏng trong suốt dẫn điện (TCO) đã và đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới do khả năng ứng dụng vô cùng to lớn của nó trong khoa học cũng như trong đời sống hàng ngày như: cửa sổ pin mặt trời, bộ chuyển đổi áp điện, các thiết bị sóng âm bề mặt, các loại cảm biến khí, những thiết bị phát xạ ánh sáng bước sóng ngắn, màn hình hiển thị phẳng, tế bào quang điện .
Hầu hết các thiết bị nói trên đều dựa trên lớp tiếp xúc p – n, đặc biệt là lớp tiếp xúc có tính trong suốt và dẫn điện tốt. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo các loại bán dẫn TCO loại n, loại p lần lượt được khám phá trên diện rộng. Đối với n – TCO, các nhà khoa học đã nghiên cứu và đạt được các kết quả rất khả quan, chẳng hạn như màng oxít dẫn điện ITO, màng ZnO hoặc ZnO pha tạp (ví dụ như pha tạp với các nguyên tố nhóm III: Al, Ga, In). Độ truyền qua của chúng rất cao 80 – 90% và điện trở suất có thể đạt được 10-3 - 10-4 Ω.cm.
Tuy nhiên, đối với p – TCO thật sự còn là một thách thức rất lớn cho các nhà khoa học trên thế giới. Màng p – TCO hiện rất khó chế tạo, độ ổn định thấp và độ dẫn điện còn kém [9, 17, 32]. Nhiều ý tưởng được đưa ra để tạo màng p – TCO, chẳng hạn như màng p – ZnO bởi nhiều lý do khác nhau, ZnO là nguồn vật liệu dễ tìm, giá thành rẻ và đặc biệt p – ZnO sẽ tạo ra được một lớp tiếp xúc đồng thể với n – ZnO, gây ra ít sai hỏng ở lớp tiếp xúc p – n.
Màng ZnO được chế tạo bởi nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm các
phương pháp về phún xạ vật lý, phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) như phương pháp epitaxy chùm phân tử (MBE), phương pháp xung laser (PLD), phương pháp sol – gel .Một trong những phương pháp hiện nay phổ biến ở nước ta là phương pháp phún xạ magnetron dc hoặc rf. Theo các công bố trên các tạp chí khoa học, hiện vẫn chưa có nhóm nghiên cứu nào thành công (đạt kết quả tốt) trong việc chế tạo màng trong suốt loại p.
Từ quan điểm trên cộng với tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước, nhằm đóng góp một phần vào xu hướng phát triển chung của khoa học, trong luận văn này, chúng tôi đã chọn vật liệu ZnO để tạo màng bán dẫn loại p ZnO vớinhững công việc cụ thể sau đây:
- Pha tạp N từ bia kim loại Zn, khí pha tạp gồm: N2, N2O.
- Đồng pha tạp donor – acceptor (In, N) từ bia gốm ZnO 2% wt In2O3 nhằm giảm năng lượng Madelung, tăng hiệu suất pha tạp N thay thế O trong mạng tinh thể ZnO [49, 50]. Từ phần thí nghiệm này, chúng tôi đã tạo ra được các loại màng p – ZnO khá tốt.
- Các loại màng được chúng tôi phủ cả trên đế thủy tinh và n – Si (100).
Ngoài ra để đánh giá chính xác các tính chất quang điện và cấu trúc của màng, chúng tôi đã sử dụng các phương pháp đo hiện đại, có độ tin cậy cao như: phương pháp UV – Vis, X – Ray, bốn đầu dò, Stylus, đo Hall, phương pháp phát quang PL, và đặc biệt là phương pháp XPS.
MỤC LỤC
Danh mục các bảng .3
Danh mục các hình vẽ .4
MỞ ĐẦU 7
PHẦN I: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: Tổng quan về vật liệu ZnO 10
1.1. Cấu trúc tinh thể ZnO .10
1.2. Khuyết tật trong cấu trúc tinh thể ZnO 12
1.3. Cấu trúc vùng năng lượng ZnO .15
1.4. Tính chất quang và điện của ZnO 16
1.4.1. Tính chất điện của ZnO .16
1.4.2. Tính chất quang của ZnO 19
1.4.2.1. Phổ hấp thụ cơ bản 20
1.4.2.2. Hấp thụ exciton. 22
1.4.2.3. Hấp thụ do khuyết tật hoặc tạp chất 24
CHƯƠNG 2: Tổng quan về ZnO pha tạp 27
2.1 Giới thiệu chung về ZnO pha tạp N .27
2.2. ZnO đồng pha tạp donor – acceptor .30
2.3. Một số công trình về p – ZnO 32
CHƯƠNG 3: Tạo màng bằng phương pháp phún xạ và một số phép đo xác định đặc
trưng màng .36
3.1. Phương pháp phún xạ magnetron dc .36
3.1.1. Hệ magnetron phẳng .36
3.1.2. Hệ magnetron không cân bằng 38
3.1.3. Phún xạ phản ứng 39
3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phún xạ 40
3.2. Các phương pháp đo .41
3.2.1. Xác định độ truyền qua của màng bằng thiết bị UV – Vis . 41
3.2.2. Hệ đo nhiễu xạ DIFFRAKTOMETER D500 .42
3.2.3. Hệ đo độ dày màng Profilometer 43
3.2.4. Xác định nồng độ hạt tải, độ linh động bằng phép đo hiệu ứng Hall 44
3.2.5. Phương pháp bốn mũi dò .46
3.2.6. Phương pháp quang đo phổ quang phát quang .48
3.2.7. Phương pháp quang phổ điện tử tia X (XPS) .48
PHẦN II: THỰC NGHIỆM
CHƯƠNG 4: Tạo màng ZnO pha tạp loại p bằng phương pháp phún xạ magnetron dc 53
4.1. Tạo màng ZnO: N từ bia kim loại .53
4.1.1. Chế tạo bia kim loại Zn .53
4.1.2. Hệ tạo màng trong quá trình phún xạ 54
4.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ khí (N2 + O2)/Ar và (N2O + N2)/Ar lên tính chất
quang và điện của màng bán dẫn ZnO: N 58
4.2. Chế tạo màng bán dẫn loại p đồng pha tạp ZnO: (In, N). . 60
4.2.1. Chế tạo bia gốm ZnO: In (IZO) dẫn điện 60
4.2.2. Ảnh hưởng của tỷ lệ khí N2/Ar lên tính chất quang và điện của màng bán dẫn ZnO: (In, N) 64
4.2.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đế lên tính chất quang và điện của màng bán dẫn ZnO: (In, N) 73
4.2.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ khí (N2O + N2)/Ar lên tính chất quang và điện của màng bán dẫn ZnO: (In, N) 76
4.2.5. Ảnh hưởng của quá trình ủ nhiệt trong môi trường khí N2 lên tính chất điện của màng 78
CHƯƠNG 5: Kết luận và hướng phát triển . 80
Danh mục các công trình . 82
Tài liệu tham khảo