zao薄膜的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、ZAO薄膜的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2010年01月16日星期六17:331引言在人類社會(huì)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，功能材料總是起著重要的作用，尤其是第二次世界大戰(zhàn)以后，材料科學(xué)的發(fā)展達(dá)到了一個(gè)高潮，伴隨著半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、太陽能等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關(guān)的一種功能材料——透明導(dǎo)電氧化物薄膜隨之產(chǎn)生、發(fā)展起來。這種屬于半導(dǎo)體光電子材料的薄膜表現(xiàn)出異于一般材料的特異性能(透射、導(dǎo)電)，在壓電換能器、光電顯示器、太陽能電池、氣敏傳感器及光波導(dǎo)等方面具有廣闊的應(yīng)用前

2、景，能滿足人類在信息時(shí)代特定條件下和不同目的的特殊需求。目前市場(chǎng)上，使用的是透明導(dǎo)電氧化物薄膜In2：sn(f1D)，其技術(shù)是成熟的，但由于In、sn等材料有自然儲(chǔ)量少、制備工藝復(fù)雜、成本高、有毒、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，從而限制了在實(shí)踐中的廣泛使用，因此，急需一種替代產(chǎn)品問世，以滿足人們的需要。ZnO：A1(ZAO)薄膜是迄今為止最佳的ITO膜替代品。二者相比而言，zAO薄膜不僅具有與ITO可比擬的電學(xué)和光學(xué)特性，而且有儲(chǔ)量豐富、易于制造、成

3、本較低、無毒、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因而，從2O世紀(jì)7O年代末開始，人們對(duì)ZnO薄膜及摻雜體系的研究趣日益濃厚，近年來更成為研究透明導(dǎo)電氧化物薄膜的熱點(diǎn)，而ZAO薄膜是ZnO摻雜體系中最具代表性的。2ZAO薄膜的性質(zhì)透明導(dǎo)電氧化物薄膜有Io3、SnO2、和ZnO三大體系，其性能對(duì)比見表1。ZAO薄膜是ZnO體系中摻雜元素A1而得來的。ZnO薄膜具有C軸擇優(yōu)生長的眾多晶粒，每個(gè)晶粒都是呈生長良好的六角形鉛鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO晶體是氧的六角密堆積和

4、鋅的六角密堆積反向嵌套而成的。這種結(jié)構(gòu)的薄膜具有透明導(dǎo)電性，但電阻值高于l0nQTI。ZnO晶體中每一個(gè)鋅原子都位于四個(gè)相鄰的氧原子所形成的四面體間隙中，但只占據(jù)其中半數(shù)的氧四面體間隙，氧原子的排列情況與鋅原子相同。單位晶格中含有2個(gè)分子體積為0047651tun3。因而這種結(jié)構(gòu)比較開放，半徑較小的組成原子容易變成間隙原子，Al的離子半徑為0039m，比鋅的離子半徑(0060nm)4~，A1原子容易成為替位原子而占據(jù)zn原子的位置，也容

5、易成為間隙原子而存在。在ZnO中摻雜之后，可以形成ZAO薄膜，導(dǎo)電性能大幅度提高，電阻率可降低到10ncrn。摻雜后，不僅可以降低電阻率，而且能提高薄膜的穩(wěn)定性。Minarni等_1J制備的ZAO薄膜，可見光透射率達(dá)90％，電阻率已降至l0I4nClTI。這種性能完全可以與ITO薄膜相媲美。3ZAO薄膜的應(yīng)用前景看一種產(chǎn)品的應(yīng)用前景如何，主要從三個(gè)方面分析：一是原材料是否豐富，價(jià)格是否低廉；二是生產(chǎn)制造是否容易，在生產(chǎn)過程中有無環(huán)境污染

6、；三是產(chǎn)品性能是否合乎要求，特別是穩(wěn)定性要好。根據(jù)這三方面的要求，可將目前廣泛應(yīng)用的透明導(dǎo)電膜ITO膜，與ZAO薄膜作以對(duì)比分析，從中展現(xiàn)出的ZAO薄ZAO薄膜的制備技術(shù)發(fā)展很快，所有用于制備半導(dǎo)體材料的手段均可用于制備ZAO薄膜，其中磁控濺射技術(shù)是20世紀(jì)7O年代開始應(yīng)用于實(shí)踐的，特點(diǎn)是薄膜在低溫下沉積能獲得優(yōu)良的光學(xué)和電學(xué)性能。另外，還具有沉積速率高、基片溫度低、成膜黏附性好、易控制、成體低、能實(shí)現(xiàn)太面積制膜的優(yōu)點(diǎn)，因而成為當(dāng)今工業(yè)

7、化生產(chǎn)中研究最多、最成熟、應(yīng)用最廣的一項(xiàng)成膜技術(shù)，也是ZAO薄膜制備技術(shù)的研究熱點(diǎn)。Wen&和Ellmer等[81o3研究了ZAO薄膜磁控濺射制備過程中熱能的變化情況，并討論了不同能量的離子對(duì)成膜質(zhì)量的影響。同時(shí)，還分別對(duì)在si、玻璃等基片上制備的ZAO薄膜的工藝參數(shù)(氧分壓、氬分壓、濺射電壓)進(jìn)行了分析，認(rèn)為氧分壓的工藝窗口較窄，是制備過程中較難控制的參數(shù)，對(duì)薄膜的光、電性能影響較大。Jin[11J及其合作者利用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)制備出

8、了ZAO薄膜，分析了在不同沉積條件對(duì)薄膜性能的作用，用N型半導(dǎo)體有效質(zhì)量模型計(jì)算并解釋了薄膜的禁帶寬度值，得到直流電阻率在510n饑l時(shí)的紅外反射率達(dá)85％的優(yōu)質(zhì)樣品。Minami等_1J研究了ZAO薄膜的射頻磁控濺射技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在基片垂直方向上的薄膜電阻率要低于基片平行方向。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)薄膜結(jié)晶性能同靶與基片的放置狀況有密切的依賴關(guān)系。另外還與Takata【13合作對(duì)ZAO薄膜的穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在真空室中溫度為400℃時(shí)，制備的ZAO

9、薄膜經(jīng)退火處理后，電阻率明顯下降，把此樣品在室溫下放置1年性能無明顯變化，證明ZAO薄膜的穩(wěn)定性能良好。不同的制備技術(shù)對(duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用目的，而ZAO薄膜的制備方法多種多樣，其中化學(xué)氣相沉積、熱辣、溶膠一凝膠等方法被廣為利用。已有報(bào)道表明_1：利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)可以制備得到電阻率為3010I4ncrn、載流子濃度為801020cm‘、霍爾遷移率達(dá)350ocm2vS和透射率超過85％的ZAO薄膜，并詳細(xì)探討不同工藝條件對(duì)薄膜的光、電特性的

10、影響。另外，熱噴涂法和溶膠一凝膠法也被廣泛地應(yīng)用于制備ZAO薄膜，它具有成本低、容易控制、易于大面積成膜等特點(diǎn)。采用這兩種方法可以制備出電阻率達(dá)10nc【n、透射率達(dá)90％的zAO薄膜10ll1，已能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求。國內(nèi)開展透明導(dǎo)電氧化物薄膜的研究工作始于2O世紀(jì)8O年代末期，以ITO膜為主，年需ITO膜透導(dǎo)電玻璃超過200萬m‘，主要用于平板顯示(FPD)、熱鏡及汽車等的防霧除霜裝置。對(duì)ZAO薄膜的研究是20世紀(jì)90年代中期開始

11、的，中國科學(xué)院金屬研究所的聞立時(shí)等lt7Asl的研究工作開展得比較早，他們側(cè)重于ZAO膜的組織結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響、制備過程中的工作壓力、氧分壓、濺射功率、臺(tái)金靶中AJ的摻雜含量等參數(shù)與薄膜性能的關(guān)系探討。河北工業(yè)大學(xué)范志新it9]除研究了ZAO膜的結(jié)構(gòu)、光電特性外，還對(duì)磁控濺射、脈沖激光沉積、溶膠一凝膠等工藝進(jìn)行了研究。復(fù)旦大學(xué)章壯健等[20J研究了混臺(tái)物靶的制備及對(duì)ZAO膜光電特性的測(cè)量原理。蘇州大學(xué)的葛水兵等[2122J使用脈沖激光沉

12、積技術(shù)，對(duì)制備試樣進(jìn)行了霍爾系數(shù)測(cè)量及SEM、XRD測(cè)試分析，詳細(xì)探討了基片溫度、氧分壓等參數(shù)對(duì)膜的透光率和電阻率的影響。制備出的薄膜電阻率達(dá)9010I4ncm、載流子濃度為5810z0nc【n、透射率為90％；山東大學(xué)陳源L23]等采用射頻磁控濺射法在3種不同的有機(jī)材料村底上鍍制出附著性好、電阻率低、透射率高的zAO薄膜，并研究了結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)特性。從國內(nèi)外的研究情況來看，國內(nèi)的zAO膜還沒有達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平，仍有待于深入研究

13、。5ZAO薄膜研究工作的發(fā)展趨勢(shì)和方向目前，ZAO薄膜還不能像ITO薄膜一樣具有市場(chǎng)價(jià)值，其原因在于對(duì)ZAO薄膜的研究還有不少缺欠，如制備工藝難以控制，導(dǎo)致產(chǎn)品性能穩(wěn)定性不好，重復(fù)性不理想等，但這些問題是能夠在今后的研究過程中逐步加以解決的。(1)應(yīng)提高可見光區(qū)透射率，降低直流電阻率，同時(shí)提高大面積制備薄膜性能的均勻性、穩(wěn)定性及可重復(fù)性。(2)制備技術(shù)要以磁控濺射制備方法為主。在磁控濺射技術(shù)中，由于直流磁控反應(yīng)濺射與射頻濺射相比，具有電