氧化亚铜的n型磁控溅射掺杂及同质结研究

Undoped cuprous oxide is a p-type semiconductor.Doping cuprous oxide n-type is of importance for fabricating its homojunctions and improving the conversion efficiency of solar cells based on cuprous oxide homojunctions..However, whether doping can generate n-type cuprous oxide needs further study:though chlorine-doped cuprous oxide fabricated by electrochemical deposition is n-type, it needs to be clarified whether the n-type conductivity inferred from indirect measurement is due to surface inversion layer or chlorine-doping; though cuprous oxide doped with some metallic elements which have high valence states is p-type, it is still not determined whether these metallic impurites can dope cuprous oxide n-type due to the low and narrow doping content; in addition, some donor impurities even have not been tried to dope cuprous oxide n-type. .In this project, we aim to address the above problems. Magnetron sputtering has the convenience in fabricating and doping cuprous oxide.Especially,the subtrates used for magnetron sputtering do not have to be conductive,which favors the direct measurement of the conductivity type of the deposited films.We plan to dope cuprous oxide with elements including chlorine, fulorine,zink and indium by magnetron sputtering in order to realize the n-type conductivity of cuprous oxide. We will further fabricate cuprous oxide homojunctions and study its optoelectrical properties. This project is of the essence to truly realize the n-type conductivity of cuprous oxide and deeply understand its n-type doping.

未掺杂氧化亚铜为p型半导体，实现其n型掺杂对制备氧化亚铜同质结及提高其太阳能电池的转换效率有重要意义。但是，掺杂能否实现氧化亚铜的n型导电仍需深入研究：虽然电化学沉积制备的掺氯氧化亚铜为n型，但这种由间接测试推断出的n型导电到底来源于表面反型层还是掺杂仍需澄清；尽管掺入一些高价态金属元素的氧化亚铜仍为p型，但由于掺杂浓度范围较小，所以并不能确定这些施主杂质不能使氧化亚铜转变为n型；另外，有些施主杂质甚至没有被掺入氧化亚铜以研究其导电类型。本项目计划解决上述问题。磁控溅射在制备及掺杂氧化亚铜上简便易行，且衬底无须导电，有利于直接测试所沉积膜层的导电类型。本项目计划用磁控溅射的方法，往氧化亚铜中掺入氯、氟、锌及铟等杂质元素，以实现氧化亚铜的n型导电，并在此基础上制备氧化亚铜同质结及研究其光电性能。本项目对真正实现氧化亚铜的n型导电及深入认识其n型掺杂有重要意义。

氧化亚铜具有众多优点，例如直接带隙（禁带宽度约为2.1eV）等，在太阳能电池等方面有潜在应用。未掺杂的氧化亚铜是p型的，由铜空位充当受主。用电化学沉积制备的未掺杂氧化亚铜的n型导电一种假象，来源于铜离子在表面的沉积。氧化亚铜的n型导电一直难以实现，这限制了氧化亚铜太阳能电池转换效率的提高。实现氧化亚铜n型导电的一个重要途径是掺杂。因此，我们提出了氧化亚铜的n型磁控溅射掺杂及同质结研究。. 首先, 我们用磁控溅射的方法研究了氧化亚铜的制备。用金属铜做靶，K9玻璃及硅片做衬底，气体用的是氧和氩，通过调节衬底温度、工作压强、溅射电压及气体流量等参数，找出了氧化亚铜的制备条件范围。. 其次，研究了掺铟或掺锌氧化亚铜的制备及性能。在制备氧化亚铜条件的基础上，采用两靶或三靶共溅射的方法，通过调整铜靶和铟靶、锌靶或是锌铟合金靶的电压及气流等，制备出了不含杂质的单一相的掺铟氧化亚铜、掺锌氧化亚铜、及锌铟共掺的氧化亚铜。测试分析结果表明，铟掺杂在室温附近可以使氧化亚铜由p型导电转为n型导电，进一步分析发现掺入的铟呈三价并取代了一价铜的位置，从而充当了施主，使得氧化亚铜转变为n型导电。锌掺杂的氧化亚铜仍为p型，其原因按理论计算极有可能是二价的锌受到铜空位的补偿从而形成中性杂质。锌铟共掺也没能使氧化亚铜由p型转为n型。. 再次，研究了纯相掺氟或掺氯氧化亚铜的制备。由于没有办法获得固态靶材，我们只能先用溅射的方法制备出氧化亚铜，再用热扩散的方法掺氟或是氯。结果表明，纯相的掺氟氧化亚铜的制备较困难，这是因为较低的扩散温度将导致氧化亚铜分解，而较高的扩散温度则导致出现杂质。同理，掺氯氧化亚铜也难以制备。. 最后，设计并制备了氧化亚铜的同质结。但由于多层膜的结构较复杂，故目前没有得到有意义的结果。. 掺铟氧化亚铜n型导电的实现为其在太阳能电池等领域的应用奠定了一定的基础。