Al、H共摻雜ZnO透明導電薄膜的研究.pdf

1、鋁摻雜氧化鋅(AZO)薄膜因具備成本低廉、無毒和在氫等離子體中穩(wěn)定性高等優(yōu)點而成為ITO薄膜的替代者。磁控濺射法具有成膜速率快,附著性好、可大面積沉積等優(yōu)點而成為制備AZO薄膜首選的方法,但低溫沉積的薄膜往往電阻率較高,透光性不好,難以滿足光電器件的需要。最近,有文獻指出低溫下?lián)饺際可以有效提高AZO薄膜的光電性能,但在不同濺射工藝參數(shù)下H對AZO薄膜光電特性的影響還缺乏全面系統(tǒng)的研究。本論文旨在改變鍍膜工藝參數(shù),系統(tǒng)研究沉積時H2引入

2、對AZO薄膜的透明導電性能的影響,總結出H的作用和相關的機理,獲得具有優(yōu)越透明導電性能的AZO薄膜。
　　 論文首先研究了在Ar氣氛下、不同襯底溫度(100℃～300℃)時制備的不同膜厚(50～1200nm)的AZO薄膜的結構和光電性能。結果發(fā)現(xiàn),只有當襯底溫度升高到200和300℃時,薄膜才表現(xiàn)出沿(002)方向的擇優(yōu)生長。隨襯底溫度或薄膜厚度的增加,薄膜的結晶度增加,壓應力釋放。薄膜結晶度的提高導致了薄膜載流子濃度和Hall

3、遷移率的增加,因此其電阻率下降。襯底溫度200和300℃時,膜厚達到1000nm左右時,得到最低的電阻率為1.12～1.59x10-3Ω˙cm。對于薄膜的可見光透光率,隨膜厚增加,透光率大概從86％下降到70％。研究AZO薄膜的禁帶寬度(Eg)的結果表明Eg依賴于薄膜的晶粒尺寸、載流子濃度和應力。襯底溫度200℃時沉積的薄膜有最大的Eg,這主要是由于其有大的載流子濃度和壓應力的緣故。隨膜厚的增加,載流子濃度增加可以增大Eg,但同時壓應力

4、的降低和/或晶粒尺寸的增大可以降低Eg。因此,Eg隨膜厚增加呈現(xiàn)出不變或下降的趨勢。
　　 在上述研究的基礎上,論文進一步研究了不同襯底溫度(RT～300℃)、不同H2/(H2+Ar)流量比(0～6％)下制備的AZO薄膜。結果發(fā)現(xiàn)制備的薄膜都呈現(xiàn)沿(002)方向的擇優(yōu)取向生長;隨著H2流量比的增加,對于RT下制備的薄膜,其薄膜應力顯著降低,結晶度明顯提高;對于襯底溫度為100～300℃制備的薄膜,其應力和結晶度沒有顯著變化。引入

5、H2后,薄膜的載流子濃度和遷移率在襯底溫度為RT和100℃時明顯增加,當襯底溫度為200℃時也有一定程度的增加,而襯底溫度為300℃時則沒有明顯的變化。當H2流量比達到3％時,RT和100℃制備薄膜的電阻率顯著下降,甚至低于200和300℃制備薄膜的電阻率。在襯底溫度為100℃,H2流量比為6％時,得到的最低電阻率為1.15×10-3Ω˙cm。這些結果表明,襯底溫度低于200℃,H2的引入對ZnO光電性能的改善是明顯;并且表明了H摻入Z

6、nO晶格中主要主要是以間隙H的形式存在。薄膜透射譜研究表明:H2引入沉積氣氛有利于提高薄膜的透光率。對于薄膜的 Eg,主要取決于載流子濃度,但對RT下制備的薄膜,其Eg的寬化與其細小的晶粒尺寸和大的壓應力也有一定的關系。
　　 最后,論文研究了在襯底未加熱,H2的流量比為5％時,濺射功率、氣壓和膜厚對AZO薄膜結構和光電性能的影響。當保持濺射功率為150W時,隨濺射氣壓增加,薄膜的結晶度降低;當氣壓為0.8Pa時,可得到最低的電

7、阻率(2.69x10-3Ω˙cm)。保持濺射壓強為0.8Pa時,隨濺射功率增大,薄膜的結晶度提高;薄膜的載流子濃度和遷移率保持增大的趨勢,而電阻率呈下降的趨勢;當濺射功率為100W時,載流子濃度顯著增加,而且遷移率也保持較大值,因此此時得到薄膜的最低電阻率,其數(shù)值為1.43x10-3Ω˙cm。保持濺射氣壓為0.8Pa、濺射功率為100W時,隨薄膜厚度從80nm增加到1100nm時,(002)衍射峰變得尖銳,殘余應力減少,結晶質量提高;薄

8、膜的載流子濃度和遷移率增加,電阻率降低,其中當膜厚為803nm時,得到了最低電阻率,為3.13×10-4Ω˙cm;薄膜的透光率大約從90％下降到77％。在保持膜厚相同的情況下,濺射功率和氣壓對薄膜的透光率沒有顯著的影響,基本上在86～90％。對于薄膜的Eg,發(fā)現(xiàn)它與薄膜的載流子濃度的變化有很好的對應關系,即載流子濃度越大,由于BM效應,其Eg增大越明顯。
　　 本論文的研究工作表明了低溫(甚至常溫)下制備AZO薄膜時,引入H2,