多層結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備及特性研究.pdf

1、透明導(dǎo)電氧化物薄膜(TCO)因?yàn)槠渚哂薪咏饘俚膶?dǎo)電性、像玻璃一樣高的透明性及對紅外線的高反射率等特性,在平板顯示器和建筑物玻璃等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。綜合各種透明導(dǎo)電薄膜的光電性能來看,銦錫氧化物(ITO)是目前綜合光電性能最優(yōu)異、應(yīng)用最為廣泛的。由于金屬銦屬于稀缺資源,導(dǎo)致ITO薄膜的制備成本較高,因此節(jié)約銦用量是一項(xiàng)重要的課題。
　　 ZnO具有原料豐富和成本低等優(yōu)點(diǎn),近年來,摻雜ZnO薄膜被廣泛研究,但是目前為止其電學(xué)特性

2、依然不及ITO。此外,隨著平板顯示器向更大面積和更快顯示速度等方向的發(fā)展,對TCO薄膜的要求也相應(yīng)提高,要求TCO薄膜在保持足夠的可見光透過率的情況下盡可能地降低方塊電阻。降低透明導(dǎo)電薄膜的電阻率是另一項(xiàng)重要課題。
　　 為此,本論文主要開展了以下幾個(gè)方面的研究:(1)用射頻(RF)磁控濺射法和離子束濺射法分別制備摻鎵氧化鋅(GZO)層和Ag層,制備了GZO/Ag/GZO多層結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電薄膜。(2)用射頻磁控濺射法制備了具有緩

3、沖層的ITO和摻鋁氧化鋅(AZO)薄膜。(3)用射頻磁控濺射法制備了摻釔氧化鋅(YZO)薄膜。
　　 第三章中,采用射頻磁控濺射技術(shù)制備GZO層,離子束濺射技術(shù)制備Ag層,在玻璃襯底上成功制備出了具有優(yōu)異光電性能的GZO/Ag/GZO三明治結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電薄膜。利用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)等分析手段對薄膜的結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了表征,利用四探針測試儀和分光光度計(jì)分別對薄膜的電學(xué)和光學(xué)特性進(jìn)行了測量,總結(jié)了大量的

4、數(shù)據(jù)。詳細(xì)研究了Ag層厚度,上層GZO厚度、下層GZO厚度以及真空退火溫度對薄膜結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)特性的影響。具體的研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下:
　　 1.X射線衍射顯示濺射制備出的GZO/Ag/GZO薄膜是多晶薄膜,GZO層具有ZnO的纖鋅礦結(jié)構(gòu),擇優(yōu)取向?yàn)?002);Ag層是立方結(jié)構(gòu),具有(111)取向。
　　 2.Ag層厚度對GZO/Ag/GZO光電特性的影響很大,我們制備了具有相同GZO厚度,不同Ag厚度的六個(gè)樣品。上

5、下兩層GZO層厚度均為40 nm,Ag層厚度分別為:6、7、8、9、10、12 nm。隨著Ag層厚度的增加,Ag的(111)衍射峰的強(qiáng)度增強(qiáng),半高寬減小,晶粒變大,說明了Ag層結(jié)晶狀況變好。當(dāng)Ag層厚度從6nm增加到10 nm時(shí),薄膜的電阻率從2.4×10-4Ω cm下降到9.0×10-5Ω cm,多層膜的透過率增加。當(dāng)Ag層厚度繼續(xù)增加時(shí),電阻率稍有增加,透過率開始降低。當(dāng)Ag層厚度為10 nm時(shí),方塊電阻為10Ω/□,平均透過率達(dá)到

6、了89.7％,品質(zhì)因子達(dá)到最大值3.4×10-2Ω-1。這說明Ag層為10nm時(shí),多層薄膜的光電特性最好,因此,Ag層的最佳厚度為10nm。
　　 3.為了研究上層GZO厚度對多層膜特性的影響,下層GZO的厚度均固定為40 nm,而Ag層厚度則為10 nm。隨著上層GZO厚度從20 nm增加到60 nm,(002)峰的強(qiáng)度緩慢增加,FWHM持續(xù)減小,與此同時(shí)ZnO晶粒大小持續(xù)增加。而Ag(111)峰的強(qiáng)度、FWHM和晶粒大小幾乎

7、不變,這表明GZO層的結(jié)晶質(zhì)量有所提高,而Ag層的結(jié)晶質(zhì)量與上層GZO的厚度無關(guān)。當(dāng)上層GZO層厚度從20nm增加到30 nm時(shí),薄膜的透過率從85.4％增加到90.7％。當(dāng)上層GZO層厚度從30 nm增加到60 nm時(shí),薄膜的透過率又從90.7％一直降低到75.2％。隨著上層GZO的厚度從20 nm增加到60 nm,薄膜的電阻率單調(diào)地從4.9×10-5Ω cm增加到1.3×10-4Ω cm。當(dāng)上層GZO厚度為30 nm時(shí),薄膜的品質(zhì)因

8、子最大,達(dá)到了5.3×10-2Ω-1。因此,薄膜的最佳上層厚度為30nm。
　　 4.上層GZO厚度為30 nm,Ag層厚度則為10 nm時(shí),研究下層GZO的厚度對多層膜特性的影響。隨著下層GZO厚度的增加,Ag(111)峰的FWHM逐漸減小,Ag的晶粒大小逐漸增大,這表明隨著下層GZO厚度的增加,Ag層的結(jié)晶質(zhì)量提高了。隨著下層GZO厚度的增加,薄膜的透過率呈現(xiàn)出先增加后減小的變化情況,電阻率則單調(diào)地增加；當(dāng)GZO/Ag/GZ

9、O多層膜厚度為40/10/30 nm時(shí),薄膜的品質(zhì)因子最大,達(dá)到了5.3×10-2Ω-1,此時(shí)薄膜的電阻率為5.6×10-5Ωcm,透過率為90.7％。
　　 5.退火對薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)特性有影響。研究了具有最佳厚度40/10/30nm的GZO/Ag/GZO多層膜在真空中不同溫度下進(jìn)行退火后薄膜特性的變化。隨著退火溫度的升高,Ag(111)峰的強(qiáng)度明顯增強(qiáng),而ZnO(002)峰的強(qiáng)度增加緩慢,這表明,GZO層和Ag層的的結(jié)

10、晶質(zhì)量同時(shí)提高了。隨著退火溫度從200℃升高到350℃,ZnO(002)峰的強(qiáng)度低于Ag(111)峰的強(qiáng)度,并且Ag層FWHM單調(diào)減小,Ag晶粒大小持續(xù)增加,這說明Ag層的結(jié)晶質(zhì)量明顯地提高了。在100℃到350℃退火范圍內(nèi),隨著退火溫度的升高,平均透過率逐漸增大,這是由于隨著退火溫度的升高,薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提高,從而導(dǎo)致其透過率得到提高。隨著退火溫度的升高,薄膜的電阻率逐漸降低,當(dāng)退火溫度為350℃時(shí),薄膜獲得了最低的電阻率3.2×10

11、-5Ωcm。
　　 第四章中,采用射頻磁控濺射技術(shù),在玻璃襯底上成功制備出了具有TiO2異質(zhì)緩沖層和ITO同質(zhì)緩沖層的ITO薄膜,以及具有AZO同質(zhì)緩沖層的AZO薄膜,利用XRD和原子力顯微鏡(AFM)等分析手段對薄膜的結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了表征,利用霍耳測試儀和分光光度計(jì)分別對薄膜的電學(xué)和光學(xué)特性進(jìn)行了測量,分析了緩沖層厚度對ITO和AZO薄膜光電特性的影響。具體研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下:
　　 1.X射線衍射顯示濺射制備

12、出的TiO2/ITO薄膜是多晶薄膜。所有樣品ITO的厚度均為180 nm。沒有TiO2緩沖層的薄膜具有(211)和(440)兩個(gè)主要的衍射峰。隨著TiO2緩沖層的加入,薄膜出現(xiàn)了包括(211)、(222)、(400)、(431)、(440)和(622)等多個(gè)衍射峰。當(dāng)TiO2緩沖層厚度為2nm時(shí),薄膜的(211)和(440)兩個(gè)衍射峰的晶粒大小最大。薄膜的粗糙度明顯大于單層ITO薄膜。隨著緩沖層厚度的增加,薄膜的粗糙度先減小,而后基本保

13、持不變。當(dāng)TiO2緩沖層厚度為2 nm時(shí),薄膜的電阻率達(dá)到最小值3.4×10-4Ωcm,電阻率的降低是由于霍爾遷移率和載流子濃度的同時(shí)增加。與相同厚度單層ITO薄膜相比,具有2nm TiO2緩沖層的薄膜其電阻率明顯下降了41％,透過率明顯高于單層ITO薄膜,達(dá)到93.1％,從而達(dá)到了節(jié)約ITO薄膜的目標(biāo)。
　　 2.X射線衍射顯示濺射制備出的ITO/ITO薄膜是多晶薄膜。所有樣品的總厚度均為250 nm。具有緩沖層的薄膜其粗糙度

14、要稍高于單層薄膜的粗糙度。當(dāng)緩沖層厚度從0 nm增加到16 nm時(shí),薄膜的電阻率從3.8×10-4降低到2.7×10-4Ωcm。當(dāng)緩沖層厚度繼續(xù)增加到32nm時(shí),電阻率又增加到4.2×10-4Ωcm。與相同厚度的單層ITO薄膜相比,具有16 nm同質(zhì)緩沖層的薄膜電阻率明顯下降了30％。緩沖層的引入對薄膜的透過率影響不大。
　　 3.AZO/AZO雙層薄膜的總厚度為400 nm。X射線衍射表明所有樣品均為多晶薄膜,且有和兩個(gè)衍射峰

15、出現(xiàn),其中峰的強(qiáng)度要比峰高很多,表明了AZO具有ZnO的纖鋅礦結(jié)構(gòu),擇優(yōu)取向?yàn)?。隨著緩沖層厚度從0 nm增加到66nm,峰的衍射角由34.20°移動(dòng)到34.28°,晶粒大小由26.1 nm逐漸增加到47.1 nm,對應(yīng)的應(yīng)力則由3.03減小到1.88。在緩沖層厚度為66nm時(shí),晶粒達(dá)到最大,說明此時(shí)薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最好。但隨著緩沖層厚度的進(jìn)一步增加,晶粒大小逐漸減小,峰的衍射角減小,對應(yīng)的應(yīng)力逐漸增大。與單層AZO薄膜相比,具有66 nm

16、同質(zhì)緩沖層的薄膜電阻率明顯下降了59％。所有薄膜的平均透過率均在90.0％以上。
　　 第五章中,以ZnO:Y2O3為靶材,采用射頻磁控濺射技術(shù),在玻璃襯底上成功制備出了YZO薄膜,利用XRD和SEM等分析手段對薄膜的結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了表征,利用霍耳測試儀和分光光度計(jì)分別對薄膜的電學(xué)和光學(xué)特性進(jìn)行了測量。具體研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下:
　　 濺射功率固定為100 W,當(dāng)濺射氣壓從0.6 Pa增加到2 Pa時(shí),薄膜的電阻率

17、從1.3×10-3Ωcm降低到8.9×10-4Ωcm,當(dāng)濺射氣壓從2 Pa增加到3 Pa時(shí),薄膜的電阻率稍有增加。濺射氣壓固定為2 Pa,當(dāng)濺射功率從40 W增加到50 W時(shí),薄膜的電阻率從1.0×10-3Ωcm降低到8.7×10-4Ω cm。當(dāng)電阻率從60 W繼續(xù)增加到110 W時(shí),電阻率變化不大,基本上在9.0×10-4Ωcm左右?？梢缘玫結(jié)ZO薄膜的最佳的制備條件是:濺射氣壓為2 Pa,濺射功率為50 W,在最佳條件下制備了樣品。

18、X射線衍射顯示YZO薄膜是多晶薄膜,具有ZnO的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu),并且有垂直于襯底的c軸擇優(yōu)取向。SEM圖像表明YZO薄膜的表面形貌是多孔結(jié)構(gòu)且表面較為粗糙,其中最大孔洞的直徑超過了100 nm。在可見光范圍內(nèi)薄膜的平均透過率為92.3％,禁帶寬度約為3.57 eV。
　　 總之,我們采用在兩層TCO薄膜之間加入金屬層的方法成功制備了電阻率低至10-5Ωcm量級的GZO/Ag/GZO多層透明導(dǎo)電薄膜；采用在玻璃襯底和TCO薄膜之間