ZnO基薄膜和器件的制備及性能研究.pdf

1、ZnO是一種新型的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶(3.3 eV)化合物半導(dǎo)體材料。相對(duì)于氮化稼(GaN)、銦錫氧化物(ITO)和二氧化錫(SnO<,2>)而言，具有原材料豐富、價(jià)格低廉、沉積溫度相對(duì)較低，易刻蝕和在氫等離子體環(huán)境中穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有應(yīng)用潛力的半導(dǎo)體材料。 透明導(dǎo)電化合物作為一種重要的光電子信息材料，在制造平板液晶顯示器、發(fā)光器件、薄膜太陽(yáng)能電池、表面聲波器件和紅外探測(cè)器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)摻雜元素，在適當(dāng)?shù)闹苽錀l

2、件下，ZnO的電阻率可以降低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且ZnO兼有一系列諸如上述的優(yōu)點(diǎn)，因此它是一種最有希望替代ITO的材料。至今人們已經(jīng)采用多種薄膜生長(zhǎng)技術(shù)來(lái)制備ZnO基透明導(dǎo)電薄膜，相對(duì)于其它薄膜生長(zhǎng)技術(shù)而言，直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單、所需沉積溫度低、薄膜附著力強(qiáng)及可實(shí)現(xiàn)大面積鍍膜，目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，因此開(kāi)展利用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)制備ZnO基透明導(dǎo)電材料的研究工作具有非常重要的意義。 通過(guò)改變ZnO中Mg的摻入量，所

3、形成的Zn<,1-x>Mg<,x>O薄膜在保持ZnO晶體結(jié)構(gòu)不變的前提下能夠有效的調(diào)節(jié)禁帶寬度，使其在3.3～4.5 eV之間變化。高導(dǎo)電Zn<,1-x>Mg<,x>O薄膜由于同時(shí)具有高載流子濃度并且禁帶寬度大于ZnO，因此可以應(yīng)用于二維電子氣等領(lǐng)域，因此在透明導(dǎo)電材料領(lǐng)域開(kāi)展Zn<,1-x>Mg<,x>O薄膜的研究工作是很有意義的，并且Zn<,1-x>Mg<,x>O薄膜可以作為ZnO的勢(shì)壘層，與ZnO構(gòu)成異質(zhì)結(jié)、多量子阱和超晶格，此外

4、，Zn<,1-x>Mg<,x>O薄膜也可以直接作為紫外發(fā)光材料，用于制作紫外波段光電器件，有很大的研究?jī)r(jià)值本文通過(guò)直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在玻璃襯底上制備出了透明的高導(dǎo)電ZnO：Ga薄膜，研究了Ga摻雜、氧分壓、薄膜厚度、退火氣氛對(duì)薄膜性能的影響，并在此基礎(chǔ)上制備了ZnO基透明電極及ZnO基透明發(fā)熱薄膜，在ZnO材料的實(shí)用方面做了初步的探索。此外用直流濺射技術(shù)制備了Zn<,1-x>Mg<,x>O薄膜，研究了沉底溫度及生長(zhǎng)氣氛對(duì)Zn<,1-x

5、>Mg<,x>O薄膜各方面性能的影響。通過(guò)研究得出了以下主要的研究成果： 1.采用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)，以Zn-Ga合金為靶材，在玻璃襯底上制備出了高透明高導(dǎo)電ZnO：Ga薄膜，薄膜電阻率達(dá)到3.7×10<'4>Ωcm。 2.系統(tǒng)的研究了氧分壓、薄膜厚度及退火氣氛對(duì)薄膜各方面性能的影響，研究表明氧分壓對(duì)薄膜的各方面性能有著非常大的影響，只有在特定區(qū)間可以形成較低電阻率的薄膜。薄膜的厚度也會(huì)影響薄膜的性能，薄膜太薄或太厚都

6、會(huì)影響薄膜的電學(xué)性能，另外退火及退火氣氛也會(huì)影響薄膜的電學(xué)性能，研究表明在450℃，真空或氬氣下退火半小時(shí)會(huì)提高薄膜的電學(xué)性能，降低薄膜的電阻率；而在氧氣或大氣環(huán)境下退火半小時(shí)則會(huì)降低薄膜的電學(xué)性能，薄膜的電阻率會(huì)升高。 3.制備了ZnO基透明電極和ZnO基透明發(fā)熱器件，系統(tǒng)的研究了這兩個(gè)器件的各方面性能，為ZnO材料的實(shí)用化做了一些探索。制備的ZnO基透明電極的電阻率為4.8×10<'4> Ωcm，在可見(jiàn)光波段的透過(guò)率在90％

7、左右；制備的ZnO基透明發(fā)熱膜的透過(guò)率也在90％左右，在19 V交流電壓下，導(dǎo)通28s后，器件的溫度加熱到150℃。 4.利用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)首次系統(tǒng)的研究了Mg含量、襯底溫度及生長(zhǎng)氣氛對(duì)薄膜各方面性能的影響。研究表明，薄膜的禁帶寬度隨著Mg的摻入量的增加而展寬，并且太高或太低的襯底溫度都會(huì)使得薄膜的晶體質(zhì)量變差，只有在適當(dāng)?shù)臏囟认律L(zhǎng)的Zn<,1-x>Mg<,x>O薄膜具有最好的結(jié)晶質(zhì)量。同時(shí)生長(zhǎng)氣氛對(duì)Zn<,1-x>Mg