濺射氣壓對(duì)Al摻雜ZnO薄膜光電性能的影響

高松華， 高立華， 肖榮輝

(三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 福建三明 365004)

濺射氣壓對(duì)Al摻雜ZnO薄膜光電性能的影響

高松華， 高立華， 肖榮輝

(三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 福建三明 365004)

采用射頻磁控濺射技術(shù)，在常溫狀態(tài)下在玻璃襯底上制備了Al摻雜ZnO透明導(dǎo)電薄膜．利用XRD和AFM分別對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和表面微觀形貌進(jìn)行了表征，利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)和霍爾效應(yīng)測(cè)試儀對(duì)薄膜的光電性能進(jìn)行了測(cè)試，并分析討論了不同濺射氣壓對(duì)Al摻雜ZnO薄膜結(jié)構(gòu)、形貌和光電性能的影響．結(jié)果表明，在本實(shí)驗(yàn)條件下制備的薄膜均為良好的c軸擇優(yōu)取向；在可見(jiàn)光范圍內(nèi)樣品的平均透過(guò)率都高于85%；在濺射氣壓為1．2Pa時(shí)，薄膜的結(jié)晶度、電阻率和透過(guò)率都達(dá)到了最佳值．

磁控濺射；Al摻雜ZnO薄膜；濺射氣壓；電阻率；透過(guò)率

本征氧化鋅薄膜的電阻率高于105Ω·cm， 摻雜(Al、 In、 B、 Ga等)可使其電阻率降低， 導(dǎo)電性能大幅提高[1-4]， 這是因?yàn)锳l摻雜ZnO時(shí)， 鋁原子的半徑(0.057 nm)比鋅的原子半徑(0.083 nm)小， 鋅原子容易被鋁原子代替， 鋁原子容易成為間隙原子而存在. 由于摻鋁氧化鋅(Al∶ZnO)薄膜與納米銦錫(ITO)的光電性能相近， 具有高的透過(guò)率和低的電阻率， 所以摻鋁氧化鋅作為n型氧化鋅材料， 是研究最為廣泛的透明導(dǎo)電薄膜[5-7].

制備摻鋁氧化鋅(Al∶ZnO)薄膜的方法很多， 而采用射頻磁控濺射技術(shù)制備的薄膜不僅純度高、 薄膜致密性好、 膜與基片附著力強(qiáng)， 而且制備工藝重復(fù)性好. 所以， 本文采用射頻磁控濺射技術(shù)， 常溫狀態(tài)下在普通玻璃基底制備了高質(zhì)量的Al∶ZnO薄膜， 并系統(tǒng)研究了濺射氣壓對(duì)Al∶ZnO薄膜結(jié)構(gòu)、 形貌和光電性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 Al∶ZnO薄膜的制備

實(shí)驗(yàn)選取含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% Al2O3的高密度氧化鋅鋁陶瓷靶作為實(shí)驗(yàn)靶材， 靶材與基體的距離為85mm， 實(shí)驗(yàn)中濺射氣體氬氣的純度為99.99%. 濺射前， 玻璃襯底依次放入丙酮、 蒸餾水、 無(wú)水乙醇、 蒸餾水， 超聲清洗10min， 去除襯底表面的污染物和雜質(zhì). 通過(guò)改變氬氣的流量控制氬氣壓強(qiáng)分別為： 0.4Pa、 1.2Pa、 2.0Pa、 2.8Pa. 表1為樣品制備的工藝參數(shù).

1.2 樣品性能表征

用Y-2000 型X 射線衍射儀分析薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)取向特性；采用P47 型原子力顯微鏡分析薄膜微觀表面形貌；薄膜在波長(zhǎng)為350～880nm范圍內(nèi)的透過(guò)率用UV2550型紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)量；利用ZEISS SUPRA 55型掃描電子顯微鏡測(cè)試薄膜厚度；HMS-2000型hall效應(yīng)測(cè)量?jī)x測(cè)量薄膜樣品的電學(xué)性能.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 薄膜結(jié)構(gòu)特性

圖1是不同濺射氣壓條件下制備的Al摻雜ZnO薄膜的X射線衍射圖. 圖1顯示， 在不同濺射氣壓制備的薄膜均在ZnO(002)晶面擇優(yōu)生長(zhǎng)， 說(shuō)明Al摻雜并沒(méi)有改變ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu). 表2列出了不同濺射氣壓下(002)晶面對(duì)應(yīng)的衍射峰、半高寬及計(jì)算的晶粒尺寸結(jié)果. 樣品的晶粒尺寸可由謝樂(lè)公式D=0.89λ/βcosθ計(jì)算 (式中λ=0.15406nm， β為半高寬， θ為衍射峰位) .

結(jié)合圖1和表2可知， 隨著濺射氣壓的增加， 衍射峰先升高后降低， 半高寬先減小后增大. 分析可得， 在濺射氣壓為1.2Pa時(shí)Al摻雜ZnO薄膜結(jié)晶質(zhì)量最佳， 同時(shí)觀察到衍射峰的位置隨著濺射氣壓的增加向小角度移動(dòng)， 說(shuō)明薄膜內(nèi)部產(chǎn)生了壓應(yīng)力. 根據(jù)布拉格公式可知， 薄膜的晶格常數(shù)增大， 表明由于Al的摻雜， 導(dǎo)致了ZnO晶體的晶格畸變.

2.2 薄膜表面形貌

圖2為不同濺射氣壓下制備的Al摻雜ZnO薄膜的原子力顯微鏡三維圖形. 濺射氣壓為0.4Pa時(shí)， 薄膜晶粒尺寸為19.10nm， 粗糙度為5.205nm， 晶粒分布較為均勻， 晶粒晶界表現(xiàn)明顯；當(dāng)濺射氣壓增加到1.2Pa時(shí)， 晶粒生長(zhǎng)良好， 晶粒尺寸為19.42nm， 粗糙度為4.131nm， 薄膜表面均勻平整；濺射氣壓為2.0Pa時(shí)， 薄膜表面生長(zhǎng)均勻， 薄膜平整， 但晶粒尺寸較小， 為17.53nm；當(dāng)濺射氣壓增大到2.8Pa時(shí)， 薄膜表面平整度下降， 晶粒尺寸繼續(xù)減小到15.13nm， 薄膜粗糙度增大為11.102nm. 分析表明， 隨著濺射壓強(qiáng)升高， 晶粒尺寸先增大后減小， 在濺射氣壓為1.2Pa 時(shí)制備的薄膜表面更加平整致密， 晶粒大小均勻， 薄膜結(jié)晶度最好. 這與XRD分析結(jié)果相符.

2.3 薄膜電學(xué)特性

表3是不同濺射氣壓條件下制備的薄膜表現(xiàn)的電學(xué)性質(zhì). 從表3可知， 制備的Al摻雜ZnO薄膜具有較好的導(dǎo)電性能， 而且隨著濺射氣壓的增加薄膜的電阻率表現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律. 在濺射氣壓為1.2Pa時(shí)制備的薄膜的導(dǎo)電性能最佳， 電阻率有最小值9.501×10-4Ω·cm， 遷移率有最大值9.236 cm2·V-1·s-1.

隨著濺射氣壓的升高， 濺射粒子與氬原子碰撞的幾率增加， 使得濺射粒子到達(dá)基片上的能量太低而影響附著力、 薄膜致密度以及結(jié)晶度等， 最終導(dǎo)致電阻升高， 導(dǎo)電性能變差；同時(shí)， 在沉積薄膜的過(guò)程中， 過(guò)多的Ar離子容易一起進(jìn)入薄膜層里， 這些都可以使薄膜中產(chǎn)生缺陷， 降低遷移率， 同樣也會(huì)引起電阻變大[8-9]. 但是， 濺射氣壓太低， 與Ar原子碰撞的幾率較低， 電子的平均自由程會(huì)增加， 就不能有效轟擊靶材. 由XRD和FAM分析可知， 濺射氣壓為1.2Pa時(shí)晶粒尺寸大， 晶界少， 載流子散射中心少， 同時(shí)薄膜的粗糙度低， 表面積小， 吸附氧的位置少， 捕獲電子能力弱[10]. 因此， 在本實(shí)驗(yàn)條件下， 氬氣壓強(qiáng)為1.2Pa時(shí)濺射最為適宜， 此時(shí)制備的薄膜載流子濃度高， 遷移率大， 電阻率低.

2.4 薄膜光學(xué)特性

圖3是不同濺射氣壓下Al摻雜ZnO薄膜的透射光譜. 不同濺射氣壓條件下制備的薄膜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)都有明顯的干涉效應(yīng)， 說(shuō)明薄膜內(nèi)雜質(zhì)和缺陷對(duì)光吸收很小， 制備的膜厚均勻， 薄膜結(jié)晶質(zhì)量較高. 濺射氣壓在0.4Pa、 1.2Pa、 2.0Pa、 2.8Pa時(shí)制備的薄膜在可見(jiàn)光范圍內(nèi)(400～800nm)， 平均透過(guò)率分別為86.48%、 88.63%、 85.72%、 88.06%. 薄膜在1.2Pa時(shí)平均透過(guò)率最高， 由XRD和FAM分析可知， 薄膜在1.2Pa時(shí)結(jié)晶質(zhì)量最佳， 說(shuō)明薄膜的透過(guò)率主要取決于薄膜的結(jié)晶質(zhì)量.

3 結(jié)論

采用磁控濺射技術(shù)， 在不同濺射氣壓條件下， 在普通玻璃基底上， 常溫狀態(tài)下制備了良好的c軸擇優(yōu)取向的Al摻雜ZnO透明導(dǎo)電薄膜. 在濺射氣壓0.4～2.8Pa范圍內(nèi)， 隨著濺射氣壓的增大， 衍射峰先升高后降低， 半高寬先減小后增大；晶粒尺寸先增大 , 后減小 ；薄膜的電阻率表現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律. 在本實(shí)驗(yàn)條件下， 濺射氣壓為1.2Pa時(shí)， 薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最佳， 導(dǎo)電性能最佳， 電阻率有最小值9.501×10-4Ω·cm， 遷移率有最大值9.236 cm2·V-1·s-1. 電阻率和透過(guò)率都達(dá)到了最佳值. 在可見(jiàn)光范圍內(nèi)樣品的平均透過(guò)率都高于85%.

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[責(zé)任編輯 王保玉]

Effects of Magnetron Sputtering Pressure on the Photoelectric Properties of ZnO∶Al Films

GAO Song-hua, GAO Li-hua, XIAO Rong-hui

(School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering, Sanming University, Sanming 365004, China)

The Al doped ZnO transparent conductive films were prepared under the room temperature on glass substrate by RF magnetron sputtering technology. The crystal structure and surface microstructure were characterized by XRD and AFM, respectively. UV-vis spectrophotometer and hall effect measurement system were used to investigate the photoelectric properties of the film. The effects of different sputtering pressure on the structure, morphology and optical performance were discussed. The results show the prepared films possess good c axis preferred orientation and the average visible light transmittance of films are higher than 85% at the sputtering pressure of 1.2 Pa.

magnetron sputtering; Al doped ZnO Film; sputtering pressure; resistivity; transmittance

2016-11-17

福建省教育科研基金資助項(xiàng)目(JAT160462) ；福建省三明學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目(B201611， B201110/Q)

高松華(1971—)， 男， 河南濮陽(yáng)人， 博士， 副教授. 研究方向： 功能材料.

O484．4

A

1009-4970(2017)02-0033-04