射频磁控溅射法制备SnS2、Cu2SnS3薄膜及其器件研究

作     者：李学留 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁齐

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：SnS2薄膜 Cu2SnS3薄膜 射频磁控溅射 光学特性 异质结器件 

摘      要：SnS和CuSnS均为新颖半导体光电子材料。SnS和CuSnS成本低、无毒、组成元素储量丰富,电学、光学性能优良,在光伏器件、光电探测器件等方面具有较大的潜在应用价值,近年来已成为研究热点。本文研究利用射频磁控溅射法制备SnS和CuSnS薄膜及特性,以及基于SnS薄膜及CuSnS薄膜异质结器件的特性。采用射频磁控溅射法溅射SnS靶,在玻璃基片上、以不同射频功率和氩气压强制备一系列薄膜样品,研究了不同工艺条件对薄膜特性的影响。利用X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)对薄膜样品的晶体结构和物相进行表征;利用X射线能量色散谱(EDS)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)对SnS薄膜的化学组分、光学特性等进行测试,计算或分析了 SnS薄膜样品的组分原子比、光学常数和光学带隙。结果表明:制备SnS薄膜的最佳工艺条件为射频功率60W,氩气压强0.5Pa。在该条件下所制备的SnS薄膜沿(001)晶面择优取向生长,可见光透过率和折射率较高,消光系数较小,直接带隙为2.81eV。利用射频磁控溅射法在玻璃衬底上沉积并经快速退火处理制备CuSnS(CTS)薄膜,利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线能量色散谱(EDS)、原子力显微镜(AFM)和紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)分光光度计研究了使用SnS、CuS混合靶(摩尔比分别为1:1、1: 1.5、1:2)及在不同溅射功率(40和80W)条件下所制备CuSnS薄膜的晶体结构、物相组成、化学组分、表面形貌和光学特性。结果表明:混合靶的SnS、CuS最佳摩尔比为1:1.5,利用该靶制备的薄膜均结晶,较大的溅射功率有利于改善薄膜的结晶质量、择优取向程度和化学配比,并有利于降低薄膜的粗糙度、增大颗粒尺寸,计算了薄膜的光学常数(折射率、消光系数、吸收系数)、介电常数和光电导率;溅射功率为80W的薄膜样品结晶质量和择优取向度高,薄膜应变最小,Cu:Sn:S组分摩尔比为1.89:1:2.77,平均粗糙度(0.742nm)较低,平均颗粒直径为332nm,吸收系数达104km-1量级,直接禁带宽度为1.32eV。制备了 n-SnS/p-Si异质结器件,器件具有良好的整流特性及弱光伏特性,反向光电流随光照强度的增加而增大,器件的光电导机制是由SnS禁带中陷阱中心的指数分布所控制。制备了 p-CuSnS/n-Si异质结器件,器件具有良好的整流特性和光电流响应特性。