ZnO基透明導(dǎo)電薄膜的制備及其結(jié)構(gòu)、性能研究.pdf

1、透明導(dǎo)電(TCO)薄膜材料被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路、平面顯示器、抗電涂層等諸多領(lǐng)域,市場(chǎng)規(guī)模巨大。目前應(yīng)用的Ⅱ、O薄膜,成本較高,有毒性,在氫等離子體不穩(wěn)定等缺點(diǎn)限制了它的推廣和應(yīng)用。相比之下,Zn0基TCO薄膜,原料豐富、價(jià)格低廉,其各項(xiàng)性能正逐漸接近Ⅱ、O薄膜,成為Ⅱ、O薄膜最有希望的代替材料。
　　本文在概述Zn0基透明導(dǎo)電薄膜性能、制備技術(shù)和應(yīng)用前景的基礎(chǔ)上,根據(jù)國(guó)內(nèi)外的最新研究進(jìn)展及其存在的主要問(wèn)題,采用X射線衍射儀、

2、掃描電子顯微鏡、差熱分析儀、四探針測(cè)試儀、紫外一可見(jiàn)光分光光度計(jì)等測(cè)試方法系統(tǒng)的研究了Zn0基陶瓷靶材和Zn0基透明導(dǎo)電薄膜制備過(guò)程中各實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)靶材和薄膜性能的影響規(guī)律。對(duì)一整套薄膜制備工藝(常壓固相燒結(jié)靶材+磁控濺射沉積薄膜+真空退火處理)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化,成功的制備出了高質(zhì)量的ZAO透明導(dǎo)電薄膜。在縱覽了國(guó)內(nèi)外n一型和p一型摻雜研究的基礎(chǔ)上,研究了Al3+、Tj4+共摻雜和高價(jià)Nb5+摻雜對(duì)Zn0基透明導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。同

3、時(shí)摸索了溶膠一凝膠法制備ZAO薄膜工藝,研究了工藝參數(shù)對(duì)薄膜性能的影響,對(duì)Zn0基透明導(dǎo)電薄膜進(jìn)行更全面的研究。
　　取得圭要研究結(jié)果如下:
　　采用模壓成型+常壓固相燒結(jié)法制備ZAO陶瓷靶材。研究了Al3+摻雜含量、燒結(jié)工藝對(duì)陶瓷靶材微觀結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明:燒結(jié)工藝通過(guò)加入1100℃保溫點(diǎn)后,顯著改善了靶材的綜合性能,提高了靶材的成品率;Al203的摻雜沒(méi)有破壞Zn0晶體結(jié)構(gòu),Al原子對(duì)Zn原子有效替位;晶粒尺寸隨

4、著摻雜量的增多而減小,電阻率隨摻雜量的增加呈U型變化,在3wtVo時(shí)取得最小值4.2×10-2 Q.cm;靶材致密度均超過(guò)96Vo;能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。
　　在優(yōu)化靶材性能的基礎(chǔ)上,采用射頻磁控濺射法沉積ZAO薄膜。研究了濺射功率、氬氣壓強(qiáng)、Al3+摻雜含量和真空退火處理對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。結(jié)果表明:制備的多晶ZAO薄膜具有(002)擇優(yōu)取向,濺射功率、氬氣壓強(qiáng)、Al3+摻雜含量和退火處理等工藝參數(shù)對(duì)透光率的影響較

5、小,薄膜平均透過(guò)率高于85Vo,最高透過(guò)率可達(dá)90Vo;工藝參數(shù)對(duì)電學(xué)性能影響較大,隨著濺射功率、氬氣壓強(qiáng)、摻雜量的增加,薄膜的結(jié)晶質(zhì)量呈現(xiàn)U型變化,當(dāng)濺射參數(shù)選取:靶基距離67mm,功率IOOW,壓強(qiáng)1.5Pa,摻雜量3wtVo,在400℃真空退火處理4h時(shí)其電阻率最低為8.5X10-4 Q.Cm。
　　以自制Al3+、Tj4+共摻雜靶材為濺射源制備出ZATO薄膜。薄膜樣品具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),經(jīng)500℃保溫退火3小時(shí)后,ZATO

6、薄膜的擇優(yōu)取向發(fā)生從(002)到(100)方向的轉(zhuǎn)變,平均可見(jiàn)光透過(guò)率從90Vo降至70Vo,表現(xiàn)為一般的透過(guò)性;而電阻率則從1.89×10-2 Q.Cm降至1.25×10-3 Q.Cm,呈現(xiàn)較好的導(dǎo)電性。
　　以自制ZnO:Nb靶材為濺射源制備出ZnO:Nb薄膜。ZnO:Nb薄膜樣品退火前后均具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),有較好(002)的擇優(yōu)取向性,經(jīng)500℃保溫3小時(shí)退火后電阻率可達(dá)到4.86×10-3 Q.Cm,平均透過(guò)率約為90V

7、o。
　　采用溶膠一凝膠浸漬提拉法制備ZAO薄膜。研究烘干溫度、預(yù)退火處理工藝、后續(xù)真空退火處理對(duì)ZAO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和光電性能的影響。結(jié)果表明:烘干溫度為60℃,預(yù)退火溫度為550℃時(shí),多晶ZAO薄膜為良好(002)擇優(yōu)取向纖鋅礦結(jié)構(gòu),400℃真空退火時(shí)間為2h時(shí),晶格尺寸小,薄膜結(jié)晶質(zhì)量最好;隨退火時(shí)間的增加,透過(guò)率曲線表現(xiàn)為向短波方向偏移,平均透光率保持在85％左右,薄膜樣品的電阻率先大幅度降低,后有回升,當(dāng)400℃下真空保