Ga摻雜ZnO透明導(dǎo)電薄膜的制備與特性研究.pdf

1、ZnO薄膜是一種Ⅱ-Ⅵ族直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有資源豐富、無毒性、在等離子體中穩(wěn)定等優(yōu)點，被認(rèn)為是最有希望取代廣泛使用的、稀有而昂貴的錫摻雜氧化銦(ITO)的透明導(dǎo)電膜，在太陽能電池、液晶顯示器、發(fā)光器件、氣敏傳感器等光電產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來已引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。但本征ZnO的導(dǎo)電性能較差，為提高其導(dǎo)電性能和穩(wěn)定性，常用Al、In、Ga等Ⅲ族元素?fù)诫s，其中研究較成熟的是Al摻雜ZnO。與Al摻雜ZnO薄膜相比.Ga摻

2、雜ZnO(ZnO:Ga)薄膜具有抗氧化性更強、品格變形更小等特點，目前，ZnO:Ga薄膜的研究報道相對較少，有必要對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為其在光電器件等方面的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　 本論文利用射頻磁控濺射法在玻璃和石英襯底上制備了ZnO:Ga薄膜；用XRD、SEM、XPS、Hall測試和紫外-可見-紅外分光光度計等測試手段對沉積的薄膜進(jìn)行了表征和分析；研究了ZnO:Ga薄膜的結(jié)構(gòu)、形貌、成分、導(dǎo)電、透光、熱電和NO2氣敏特性，計算了

3、薄膜的光學(xué)常數(shù)，并研究了光致發(fā)光性質(zhì)。得到的主要結(jié)果如下：
　　 ①所制備的ZnO:Ga薄膜為多晶纖鋅礦結(jié)構(gòu)。薄膜表面平整、致密，具有c軸擇優(yōu)取向。提高襯底溫度、減小濺射壓強、增加膜厚、提高濺射功率，在空氣和氮氣中退火有利于提高薄膜結(jié)晶度，摻雜濃度為3at.％的薄膜的結(jié)晶度最優(yōu)。
　　 ②ZnO:Ga薄膜中含有Zn、Ga、O和C元素，提高襯底溫度，薄膜中Ga和氧空位的濃度均增大，導(dǎo)致載流子濃度增大，利于薄膜導(dǎo)電性能的提高

4、。
　　 ③ZnO:Ga薄膜為n型導(dǎo)電，其光電性能與制備參數(shù)密切相關(guān)，襯底溫度越高、濺射壓強越小、薄膜越厚、濺射功率越大，利于提高薄膜的導(dǎo)電性能，而在空氣和氮氣中退火后薄膜的導(dǎo)電性能降低。ZnO:Ga薄膜在可見光范圍的平均透光率一般可達(dá)80％以上。增加濺射壓強、濺射功率和進(jìn)行退火處理利于提高薄膜的透光率，襯底溫度和Ga摻雜濃度對透光率沒有明顯影響。綜合考慮導(dǎo)電性和透光性，獲得了最佳工藝條件：襯底溫度300℃、Ga摻雜濃度3at.

5、％、濺射壓強2.0Pa、濺射功率150W、濺射時間2h、靶基距7.0cm，在該條件下制備的ZnO:Ga薄膜.電阻率為1.41×10-3Ω.cm，透光率超過85％，達(dá)到了透明導(dǎo)電膜的性能要求。
　　 ④ZnO:Ga薄膜有顯著的塞貝克效應(yīng)，其塞貝克系數(shù)為負(fù)值，進(jìn)一步說明其n型導(dǎo)電特征。典型地，襯底溫度200℃下，3at.％Ga摻雜ZnO薄膜的塞貝克系數(shù)為-54.31μV/K，功率因子為7.53×10-5W/K2m。磁場作用下，ZnO

6、:Ga薄膜具有較強的磁阻效應(yīng)和磁熱電效應(yīng)，磁感應(yīng)強度越大，磁阻和磁熱電效應(yīng)越明顯。
　　 ⑤ZnO:Ga薄膜的光學(xué)帶隙與制備參數(shù)有關(guān)。提高襯底溫度和濺射功率、降低濺射壓強，光學(xué)帶隙增大；增加Ga摻雜濃度和膜厚，光學(xué)帶隙先增加后減小；在空氣和氮氣中退火，光學(xué)帶隙減小。
　　 ⑥ZnO:Ga薄膜的光致發(fā)光譜由一個近帶邊發(fā)射峰和多個深能級發(fā)射峰組成，其中位于467nm處的藍(lán)光深能級發(fā)射峰最強。在空氣和氮氣中退火后，薄膜的深能級

7、發(fā)射峰強度變大，與光生非平衡載流子的輻射復(fù)合增加有關(guān)。
　　 ⑦對比了Swanepoel和無約束優(yōu)化方法的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)無約束優(yōu)化方法計算的膜厚和擬合的透射光譜與實測值更為吻合，優(yōu)于Swanepoel方法。
　　 ⑧用無約束優(yōu)化方法計算了多種厚度ZnO:Ga薄膜的光學(xué)常數(shù)(包括膜厚在100nm以內(nèi)的較薄的薄膜)，結(jié)果表明：ZnO:Ga薄膜的折射率在紫外區(qū)域隨著波長的增加而急劇減小，在可見光區(qū)介于1.73至2.15之間，變