磁控共濺射制備AGZO薄膜及性能分析

摘 要：采用兩靶共濺射的方法，分別采用GZO靶材及Al靶材，在不同的Al靶材濺射時(shí)間下制備AGZO薄膜。測(cè)試分析了不同Al靶濺射時(shí)間下，AGZO薄膜晶體結(jié)構(gòu)、成分及相關(guān)性能的變化。其中當(dāng)鋁靶濺射時(shí)間為5分鐘時(shí)制得的薄膜具有最優(yōu)性能。

關(guān)鍵詞：共濺射；AGZO薄膜；結(jié)構(gòu)；電阻率

ZnO是一種n型半導(dǎo)體材料，其本征電阻率非常高，所以一般對(duì) ZnO進(jìn)行n型摻雜以減少其電阻率，比較常用的為Al、Ga、In等元素。但是目前的摻雜常常局限于一種元素，且單一元素?fù)诫s常常伴隨著一些弊端，例如Al摻雜容易形成穩(wěn)定的Al2O3相，影響薄膜性能，而Ga、In元素儲(chǔ)量較少，成本很高等。所以文章同時(shí)將Al、Ga元素?fù)诫s進(jìn)入ZnO體系中，并改變Al靶的濺射時(shí)間，測(cè)試分析相關(guān)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

文章采用兩靶磁控共濺射的方法制備AGZO薄膜。其中，GZO靶材純度為99.99%，Ga2O3：ZnO=3：97wt.%；Al靶純度為99.99%，基片為石英玻璃，靶基距為100mm。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：背底真空7×10-4Pa，濺射時(shí)壓強(qiáng)為0.5Pa，通入氬氣，在正式濺射之前先進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，GZO靶材濺射功率為150W，GZO靶材濺射時(shí)間為20分鐘，Al靶材濺射功率為50W，Al靶濺射時(shí)間分別為1、3、5、7、9分鐘，分別為1-5號(hào)樣品。

2 結(jié)果與討論

XRD分析結(jié)果顯示，1-5號(hào)AGZO薄膜均有比較良好的（002）方向即c軸擇優(yōu)取向。同時(shí)，根據(jù)XRD分析軟件JADE可以求出對(duì)應(yīng)（002）峰的半高寬，再根據(jù)謝樂(lè)公式即可估算出薄膜的平均晶粒尺寸。

結(jié)果顯示，隨著Al靶濺射時(shí)間從1分鐘逐步增加為5分鐘時(shí)，AGZO薄膜的平均晶粒尺寸有小幅增加，隨后開(kāi)始減少，當(dāng)Al靶濺射9分鐘時(shí)，平均晶粒尺寸劇烈減少到了20.18nm。

對(duì)于光學(xué)透過(guò)率的測(cè)試顯示，1-5號(hào)薄膜在可見(jiàn)光波段的平均透過(guò)率均在87.5%以上，其中3號(hào)薄膜的平均透過(guò)率最好，在整個(gè)可見(jiàn)光波段（400-760nm），其平均透過(guò)率達(dá)到了91.41%。

隨后對(duì)1-5號(hào)樣品的電阻率等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，在Al靶濺射時(shí)間為5分鐘和7分鐘時(shí)，電阻率較低，接近1×10-2Ωcm。

薄膜殘余應(yīng)力的計(jì)算公式，可以從雙軸應(yīng)力模型中推導(dǎo)出[1]，公式為[2，3]

其中Cii為彈性勁度常量，其中C13=1.05×1011Nm-2，C11=C33=2.1×1011Nm-2，C12=1.2×1011Nm-2。[4]

其中c和c0分別是樣品和無(wú)應(yīng)變塊體ZnO的晶格常數(shù)，c0為0.52069nm，c=2d。

即可利用JADE軟件求出晶面間距d值，進(jìn)而求出c值，再帶入式（1），最后求得薄膜的殘余應(yīng)力。

1-5號(hào)樣品，求出的應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最小值出現(xiàn)在1分鐘時(shí)，最大值出現(xiàn)在9分鐘時(shí)，高達(dá)5.70GPa。

將1-5號(hào)樣品的薄膜的平均晶粒尺寸、殘余應(yīng)力、電阻率聯(lián)合分析時(shí)，我們可以看到，薄膜成膜質(zhì)量的急劇下降，大大減少了薄膜的平均晶粒尺寸，而成膜質(zhì)量的下降，也會(huì)大大增加薄膜的殘余應(yīng)力。隨著殘余應(yīng)力的增加，表明薄膜中晶體失配等現(xiàn)象越嚴(yán)重，則對(duì)電子造成的散射就越明顯，所以電阻率一般會(huì)隨著殘余應(yīng)力的增大而增大。隨著5號(hào)樣品平均晶粒尺寸的大幅減少，帶來(lái)了殘余應(yīng)力的顯著增加，也導(dǎo)致了5號(hào)樣品的電阻率明顯的提高，這和理論是相符的。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用雙靶磁控共濺射制備AGZO薄膜，當(dāng)GZO靶材濺射功率為150W，GZO靶材濺射時(shí)間為20分鐘，Al靶材濺射功率為50W，Al靶濺射時(shí)間為5分鐘時(shí)，其具有最佳性能。其平均晶粒尺寸達(dá)到27.47nm，電阻率為11.57×10-3Ωcm，平均透過(guò)率為91.41%，殘余應(yīng)力為2.82GPa。

參考文獻(xiàn)

[1]H. H. Lai， T. Basheer， V. L. Kuznetsov，et al.[J].JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 112， 083708 （2012）：1-5.

[2]B. C. Mohanty， Y. H. Jo， D. H. Yeon， I. J. Choi， and Y. S. Cho， Appl.Phys. Lett. 95， 62103 （2009）.

[3]C. Koidis， S. Logothetidis， S. Kassavetis， A. Laskarakis， N. A. Hastas， andO. Valassiades， Phys. Status Solidi A 207， 1581-1585 （2010）.

[4]B. K. Sharma and N. Khare， J. Phys. D： Appl. Phys. 43， 465402 （2010）.

作者簡(jiǎn)介：劉結(jié)（1991-），男，四川省成都市人，工作單位：電子科技大學(xué)，職務(wù)：學(xué)生，研究方向：半導(dǎo)體薄膜材料。