ZnO：Al和ZnO：Fe薄膜的制備、結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、ZnO是一種直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.37eV，且束縛激子能高達(dá)60 meV。氧化鋅透明導(dǎo)電膜在可見光區(qū)較高的透過率，而在紅外區(qū)又具有很高的反射率，同時摻雜適量的施主元素可以明顯降低它的電阻率，這些特性使得氧化鋅薄膜在光電子信息材料、壓電材料、和薄膜太陽能電池等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。近年來氧化鋅透明導(dǎo)電膜的這些特性吸引人們競相對透明導(dǎo)電膜的制備技術(shù)和薄膜的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究，發(fā)展起多種氧化物透明導(dǎo)電膜的制備技術(shù)，主要

2、有蒸發(fā)法、濺射法、CVD法和噴涂熱解法等。 本文采用射頻磁控濺射法，通過最優(yōu)化配置ZnO：Al薄膜的制備工藝(如沉積功率、本底真空度、工作氣壓、襯底溫度和O2/Ar比例)，得到了性能優(yōu)良的氧化鋅摻雜薄膜。采用JPGF—400B—G型射頻磁控濺射系統(tǒng)制備摻雜氧化鋅薄膜的最佳工藝參數(shù)為：鋅靶和摻雜靶功率為150W和80W、襯底溫度為150℃、本底真空度要盡量高大約為1.2×10—3Pa、工作總氣壓為0.8Pa、O2：Ar壓力比1：3

3、。 運用XRD、AFM、EDS、吸收光譜和四探針等儀器測試薄膜結(jié)構(gòu)及性能，測試后分析得出：制備摻雜氧化鋅薄膜為多晶薄膜，具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，(002)方向擇優(yōu)取向。薄膜的平均粒度在20～40nm范圍內(nèi)變化，隨著基片溫度的升高和薄膜厚度的增加而明顯增大。ZnO：Al薄膜的衍射譜中只存在相對于(002)面的衍射峰，在相同的制備條件下，ZnO：Al薄膜的平均晶粒度要大于ZnO薄膜。 從理論和實驗的角度具體分析了不同制備條件下，

4、摻鋁氧化鋅薄膜的電阻率變化及產(chǎn)生原因。實驗發(fā)現(xiàn)：襯底溫度和鍍膜時間對電阻率影響較大，在相同的襯底溫度下，鋁摻雜的薄膜比純氧化鋅薄膜的電阻率約低6個數(shù)量級。鍍膜時間小于15分鐘時，沉積原子還沒有完全覆蓋襯底、襯底表面存在不連續(xù)ZnO：Al薄膜，因此ZnO：Al薄膜具有較高的電阻率。隨著濺射時間和膜厚的增加，薄膜的晶化程度逐漸提高，晶粒也逐漸長大，晶粒的長大弱化了晶粒間界散射，提高了載流子的壽命和遷移率，使得薄膜的電阻率降低。實驗制備ZnO

5、：Al薄膜的最低電阻率為2.4×10—4Ω．cm。氫退火處理使ZnO薄膜的電阻率下降5～6個數(shù)量級，真空退火處理可使ZnO和ZnO：Al薄膜的電阻率分別下降約4個和0.5個數(shù)量級。 氧化鋅薄膜的帶隙寬度為3.37 eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可見光光子的最大能量(3.1eV)，可見光的照射不能引起本征激發(fā)，因此此類材料在可見光區(qū)是透明的。在可見光區(qū)的最高透過率可達(dá)到90％以上。與純氧化鋅相比，退火后的摻雜氧化鋅薄膜的光學(xué)透過率沒有明顯的變化。

6、薄膜中的鋁含量對透過率的影響最大，薄膜中鋁含量越高，在可見光區(qū)的透過率就相對越小，隨著鋁含量的增多，鋅間隙粒子很容易形成，這樣散射的幾率增加，導(dǎo)致薄膜在可見光區(qū)的透過率降低。 純氧化鋅薄膜的熒光發(fā)射光譜在紫外區(qū)和可見光的綠光區(qū)出現(xiàn)了兩個發(fā)射峰，紫外區(qū)的峰是由于自由激子發(fā)射引起的，而位于綠光區(qū)的峰則是薄膜中存在的固有缺陷(如鋅空位和氧間隙等)造成的。然而鋁摻雜氧化鋅薄膜的熒光發(fā)射光譜和純氧化鋅之間存在很大的差異，鋁摻雜氧化鋅在70

7、0nm(1.77eV)附近都出現(xiàn)一個紅光區(qū)寬發(fā)射峰，這一峰在純氧化鋅中并不存在，并且隨著鋁含量的增加，光譜會藍(lán)移，光譜的強(qiáng)度也會增強(qiáng)。光譜隨著鋁含量的增加出現(xiàn)藍(lán)移和強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象，我們認(rèn)為出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是鋁含量的增加導(dǎo)致氧化鋅薄膜的晶格缺陷增多造成的。 在研究摻鋁氧化鋅薄膜的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了摻鐵氧化鋅薄膜以及摻雜引起的氧化鋅薄膜性能的改變。在2θ為34.42°、36.26°和72.56°附近都出現(xiàn)了與ZnO薄膜的(002