薄膜厚度對AZO薄膜光電性能的影響

范麗琴

（華僑大學(xué)廈門工學(xué)院，福建 廈門 341027）

薄膜厚度對AZO薄膜光電性能的影響

范麗琴

（華僑大學(xué)廈門工學(xué)院，福建 廈門 341027）

摘 要：通過射頻磁控濺射技術(shù)在玻璃襯底上制備AZO薄膜，研究膜層厚度對AZO薄膜光電特性的影響。發(fā)現(xiàn)隨著膜層厚度的增加，AZO薄膜在可見光區(qū)的平均透射率略微增長，而方塊電阻和電阻率卻顯著遞減，導(dǎo)致其品質(zhì)因子隨厚度增加而增加。在薄膜厚度為395 nm時，獲得電阻率為3.24×10-3Ωcm，可見光區(qū)平均透射率為85.52%，品質(zhì)因子為25.52×10-4Ω-1的光電性能良好的透明導(dǎo)電薄膜。本文制備的薄膜具有較優(yōu)的透明導(dǎo)電性，可以廣泛應(yīng)用于太陽能電池、平板顯示器等光電領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：透明導(dǎo)電膜；摻鋁氧化鋅；磁控濺射；光電學(xué)性質(zhì)

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0　引 言

氧化鋅材料在自然界中資源豐富，價格便宜，且無毒，在沉積過程中具有較快的沉積速率，制成的薄膜具有良好的光學(xué)和電學(xué)性能，以及在環(huán)境中有較高的穩(wěn)定性今年來被廣泛地研究。但是純的氧化鋅薄膜電阻較高，且高溫時電阻不穩(wěn)定這時氧化鋅的摻雜就顯示出了優(yōu)勢，鋁摻雜氧化鋅(AZO)具有很好的導(dǎo)電性和較高的載流子濃度，被廣泛地應(yīng)用于傳感器、液晶顯示器、太陽能電池、有機(jī)無機(jī)發(fā)光器件等多種光電子器件領(lǐng)域[1, 2]。

在所有的制備方法中，磁控濺射是最常用的方法之一[3-9]，具有沉積速率高、薄膜與基片的附著性能好、致密度高、便于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。但是濺射功率、襯底溫度、氧分壓等環(huán)境因素會對制備的薄膜性能產(chǎn)生重要的影響。Zhou[10]等在室溫下通過射頻磁控濺射沉積AZO透明導(dǎo)電薄膜，研究濺射功率對薄膜光電性能的影響，濺射功率從300 W增大到1200 W，在濺射功率增大到1000 W時得到薄膜最低電阻率為2.25×10-3Ωcm；Ayadi[11]等研究了襯底溫度對所制備AZO薄膜結(jié)構(gòu)和光電性能的影響，在襯底溫度120 ℃時獲得了最低電阻率1.64×10-4Ωcm，及在可見光區(qū)約90%的透射率。本文利用射頻磁控濺射在玻璃基片上沉積AZO薄膜，研究薄膜的光學(xué)和電學(xué)特性，以實現(xiàn)高質(zhì)量的透明導(dǎo)電電極。通過改變薄膜濺射時間獲得不同厚度的薄膜，引入品質(zhì)因子來分析薄膜厚度對所制備的薄膜的光電性能的影響，制備出光電性能較為良好的AZO薄膜。

1　實 驗

利用JGP560BⅡ多功能磁控濺射儀通過射頻磁控方法在BK-7玻璃基片上生長薄膜，靶材是用純度為99.99%的ZnO混合1.5wt%的氧化鋁，氧化鋁的純度為99.99%，襯底到靶材的距離(靶距)為90 mm。AZO薄膜的濺射功率為300 W，每次沉積薄膜前預(yù)濺射5 min?；谜麴s水，丙酮和酒精混合液超聲清洗后再在氮?dú)庵懈稍颷12]。濺射前真空腔的氣壓為2.0×10-4Pa。濺射過程充入氬氣作為工作物質(zhì)，其流速用質(zhì)量流量控制器控制，設(shè)置為100.0 sccm 。薄膜的沉積時間分別為120 s，180 s，310 s，430 s，550 s，為了敘述的方便分別稱為樣品A、B、C、D、E。

用UV-2450雙光束分光光度計測量樣品的正入射透射率T(%)，測量的波長范圍在200-900 nm。樣品的方塊電阻RS，電阻率ρ，載流子濃度μ和霍爾遷移率N是通過Van der Pauw方法[13]測量和計算的。采用擬合透射光譜數(shù)據(jù)的方法[14]來計算薄膜的厚度d。并引入品質(zhì)因子F=/R[15]來評價所制備薄膜的光電學(xué)性能的綜合性質(zhì)，其中是可見光區(qū)域的平均透過率，RS是樣品的方塊電阻。

圖1　不同厚度的AZO薄膜的光學(xué)透射光譜Fig.1 Transmittance of AZO films as a function of thickness

圖2　不同厚度的AZO薄膜在可見光區(qū)(430-700 nm)的平均透射率Fig.2 The average transmission in the visible region (430-700 nm) for the AZO films as a function of thickness

2　結(jié)果與討論

2.1光學(xué)性質(zhì)

圖1為不同厚度AZO薄膜的光學(xué)透射光譜圖，透射譜可分成3個區(qū)域：強(qiáng)吸收區(qū)(300-400 nm)、中等吸收區(qū)(400-520 nm)和透明震蕩區(qū)(520-900 nm)。采用擬合透射光譜數(shù)據(jù)的方法[13]，計算得到樣品A-E的厚度分別為70，130，210，285，395 nm(見表1)。樣品在近紫外區(qū)均表現(xiàn)出很強(qiáng)的光吸收，有陡峭的截止吸收限和明顯的干涉現(xiàn)象。圖中光譜的極大值和極小值是由于入射光分別在空氣與薄膜的界面以及薄膜與基片的界面反射，反射光進(jìn)一步干涉所導(dǎo)致的。不同樣品干涉峰的數(shù)量也不同，厚度越大，干涉峰數(shù)量越多。圖1中樣品E的干涉峰數(shù)量最多，這是樣品E的厚度最大引起的。由圖1還可知，所制備樣品的透射率基本上在80%以上，可見所制備的樣品都具備較好的光學(xué)特性。

圖2為不同厚度的AZO薄膜在可見光區(qū)(430-700 nm)的平均透射率(T)，由圖2可知，薄膜在可見光區(qū)的平均透射率隨著薄膜厚度的增加而增加，薄膜厚度70 nm時的可見光區(qū)平均透射率最低為80.82%，當(dāng)薄膜厚度增加到550 nm時，平均透射率增加到了85.52%。樣品A的平均透射率最低，這是因為厚度較小的薄膜，晶粒尺寸較小，甚至含有微晶成分，晶界缺陷密度較大，對可見光能量的散射也較高。隨著薄膜厚度的增加，薄膜結(jié)晶質(zhì)量得到改善，對光的散射降低，透過率提高。由圖1還可知隨著厚度的增加，開始出現(xiàn)光的干涉現(xiàn)象，此時的薄膜相當(dāng)于“增透膜”。

由圖1中的光譜數(shù)據(jù)并利用計算機(jī)程序[13]擬合透射光譜的方法來計算薄膜的折射率(n)、消光系數(shù)(k)和薄膜的厚度(d)，圖3給出了厚度為395 nm的典型樣品E的折射率(n)和消光系數(shù)(k)隨波長的變化關(guān)系，可見n和k具有類似的變化趨勢，呈現(xiàn)出典型的色散特性[16]。

消光系數(shù)k與吸收系數(shù) 之間有下列關(guān)系:

由圖3中數(shù)據(jù)消光系數(shù)k以及公式(1)求得吸收光譜α(λ)，由吸收光譜作α2-hv圖，如圖4所示。通過吸收系數(shù)與光子能量hv之間的關(guān)系可以求出直接光學(xué)帶隙(E)，公式如下[17]:

其中，A為常數(shù)，將 圖吸收邊的線性關(guān)系延伸到與能量軸相交，得到直接光學(xué)帶隙Eg。從中可得到樣品E的光學(xué)帶隙約為3.58 eV，比純氧化鋅(3.37 eV)高，這是因為導(dǎo)帶的最低能級被大量的帶電載流子占滿，主要是由Burstein-Moss位移效應(yīng)引起的[18, 19]。即薄膜中載流子濃度的升高使費(fèi)米能級移向?qū)А?/p>

2.2電學(xué)性質(zhì)

樣品的厚度d、方塊電阻、遷移率、載流子濃度和電阻率在表1中列出。樣品的方塊電阻和霍爾遷移率利用Van der Pauw方法測量，厚度(d)通過擬合透射光譜數(shù)據(jù)得到，然后根據(jù)以下公式計算所制備樣品的ρ、N和μ。

上式中，RS為方塊電阻，I為霍爾電流，UH為霍爾電壓，B為垂直于膜面的磁場強(qiáng)度，e為電子電量。

由表1知，當(dāng)樣品的厚度增大到210 nm時，方塊電阻和電阻率急劇減小，樣品E最小分別為82 Ω 和3.24×10-3Ωcm。

為了實現(xiàn)該材料在可見光區(qū)有較高的透射率和較低的電阻率，引入品質(zhì)因子(FTC)來分析和比較樣品的透射和電阻[15]的綜合性能，其中，T是可見光區(qū)(430-700 nm)的平均透射率，RS為所制備薄膜的方塊電阻。由圖2和表1數(shù)據(jù)并利用公式(5)計算樣品的品質(zhì)因子，樣品品質(zhì)因子與厚度之間的關(guān)系如圖5所示。

圖3　樣品E的折射率(a)和消光系數(shù)(b)曲線Fig.3 Refractive index (a) and extinction coefficient (b) of thesample E as a function of wavelength

圖4　樣品E的吸收系數(shù)的平方隨光子能量hv的變化情況Fig.4 Square of the absorption coefficient as a function of photon energy (hv ) for sample E

表1　樣品的厚度d、方塊電阻RS、遷移率μ、載流子濃度N和電阻率ρTab.1 Thickness, sheet resistance, mobility, carrier concentration and resistivity for sample

圖5　AZO薄膜的品質(zhì)因子隨膜層厚度的變化情況Fig.5 Figure of merit for AZO films as a function of layer thickness

如圖5所示，對于AZO薄膜，品質(zhì)因子隨著薄膜厚度的增加而增加，分析其原因，隨著薄膜厚度的增加，AZO薄膜在可見光區(qū)的透射率幾乎不變，而方塊電阻隨著厚度的增加顯著減少，從1539減小到82 Ω/sq，當(dāng)薄膜厚度增大到395 nm時，品質(zhì)因子最大為25.52×10-4Ω-1。

3　結(jié) 論

本文研究利用射頻磁控濺射陶瓷靶在玻璃襯底上沉積AZO薄膜，從測量的透射光譜數(shù)據(jù)分析，所制備的樣品具有良好的光學(xué)透射率，并進(jìn)一步研究了薄膜厚度對薄膜光電綜合性能的影響，發(fā)現(xiàn)AZO薄膜隨著膜層厚度的增加，可見光區(qū)的平均透射率呈略微增長的趨勢，而方塊電阻和電阻率卻急劇減小，導(dǎo)致其品質(zhì)因子隨厚度增加而遞增。本文制備的薄膜均具有良好的透明性和導(dǎo)電性，可廣泛應(yīng)用于液晶顯示器、太陽能電池、發(fā)光器件等多種光電子器件領(lǐng)域。

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通信聯(lián)系人：范麗琴(1983－)，女，碩士，講師。

Received date: 2014-08-16. Revised date: 2014-09-12.

Correspondent author:FAN Liqin(1983-), female, Master, Lecturre.

The Effect of Thickness on Electrical and Optical Properties of AZO Films

FAN Liqin
(Xiamen Institute of Technology, Huaqiao University, Xiamen 341027, Fujian, China)

Abstract:Transparent conducting Al-doped zinc oxide (AZO) films were deposited on BK-7 glass substrates by radio frequency magnetron sputtering. The effect of thickness on electrical and optical properties of AZO films was studied. Results indicated that the figure of merit decreased as the average transmittance in visible spectral region for all samples slowly increased and the resistivity of the film sharply decreased when the thickness of AZO films increased. The highest figure of merit of 25.52×10-4Ω-1, with the lowest sheet resistance of 82 Ω/sq and the average transmittance of 85.52% was obtained when the thickness of AZO films was 395 nm. As-prepared AZO films with good transparent conductive properties can be widely used in various fields such as solar cells and flat panel displays.

Key words:aluminum-doped zinc oxide film; thickness; electrical properties; optical properties

中圖分類號：TQ174.75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-2278(2015)01-0023-04

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.005

收稿日期：2014-08-16。

修訂日期：2014-09-12。

基金項目：福建省自然科學(xué)基金資助項目(編號：2007J0317)；福建省科技廳重點(diǎn)項目(編號：2007H0019)；福建省教育廳基金資助項目(編號：JB06104)。