氮?dú)馔嘶饘?duì)NiO/ZnO:Al 薄膜PN 結(jié)的影響*

趙啟義，祁康成，舒文麗，李國棟

(電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，成都 610054)

國內(nèi)外關(guān)于NiO 薄膜的研究方向和研究成果主要集中在NiO 的電致變色、催化性能、熱敏性能等方面，而對(duì)于NiO 的光電特性的研究相對(duì)較少，所以研究NiO 的光電特性仍有很大空間［1－5］。NiO是一種具有典型3d 電子結(jié)構(gòu)的過渡金屬化合物［6］，本征化學(xué)計(jì)量比的NiO 室溫下不具有導(dǎo)電性，但是一般NiO 薄膜是非化學(xué)計(jì)量比的晶體，NiO薄膜中存在氧過量而表現(xiàn)出P 型半導(dǎo)體特性，能與N 型半導(dǎo)體材料構(gòu)成PN 結(jié)［7］。關(guān)于ZnO 的研究一直以來都是科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)，ZnO 是一種具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Ⅱ～Ⅵ族直接帶隙化合物半導(dǎo)體材料，摻Al 后的ZnO 薄膜具有良好的導(dǎo)電性［8］，Al3+取代Zn2+后提供一個(gè)自由電子，ZnO 的N 型半導(dǎo)體材料特性更加明顯。因此，NiO和ZnO:Al 能夠形成很好的PN 結(jié)，且NiO 的禁帶寬度為3.0 eV～4.0 eV，ZnO 的禁帶寬度為3.36 eV，均是寬帶隙半導(dǎo)體材料，適用于太陽電池窗口層的研究。

NiO 薄膜本身具有P 型半導(dǎo)體特性，但是其常溫下結(jié)晶度低和在可見光范圍內(nèi)透過率不高制約其應(yīng)用于太陽電池窗口層。本文利用磁控濺射在ITO導(dǎo)電玻璃基底上依次制備NiO和ZnO:Al 薄膜，如圖1所示。通過氮?dú)馔嘶鸷螅?－11］，分析各膜層的性能變化，以及對(duì)整個(gè)PN 結(jié)整流特性的影響。

圖1 NiO/ZnO:Al 薄膜PN 結(jié)

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 NiO 薄膜的制備

直流反應(yīng)磁控濺射，在ITO 玻璃上沉積NiO。采用純鎳靶直流濺射制備NiO，濺射氣體為Ar和O2，氣體流量和濺射壓強(qiáng)等參數(shù)均已優(yōu)化，具體工藝參數(shù)見表1。為了保證沉積NiO 薄膜的材料純度和均勻性，濺射前分別采用Ar和Ar+O2預(yù)濺射，待濺射室內(nèi)輝光穩(wěn)定后開始濺射。

表1 磁控濺射NiO 薄膜的工藝參數(shù)

1.2 ZnO:Al 薄膜的制備

采用射頻磁控濺射在NiO/ITO 玻璃上沉積ZnO:Al。使用Al2O3含量為2%的ZnO:Al 陶瓷靶作為射頻磁控濺射靶材，射頻濺射前要進(jìn)行5 min～10 min 的預(yù)濺射，保證制備的薄膜中無其他雜質(zhì)摻入。濺射工藝參數(shù)在薄膜導(dǎo)電性、均勻性、高透過率方面均已做了優(yōu)化，如表2所示。

表2 磁控濺射ZnO:Al 薄膜的工藝參數(shù)

1.3 氮?dú)馔嘶?/h3>

將制備好的NiO 薄膜、ZnO:Al 薄膜和NiO/ZnO:Al 薄膜分別進(jìn)行100℃、300℃、500℃氮?dú)馔嘶?，退火溫度和退火時(shí)間如圖2所示，退火時(shí)間為2 h，升溫降溫均保持恒定的速度。退火前氮?dú)饬髁窟m當(dāng)調(diào)大，退火過程中氮?dú)饬髁勘３衷?5 sccm+1 sccm。

圖2 退火時(shí)間曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 氮?dú)馔嘶饘?duì)NiO 薄膜的影響

圖3為退火溫度對(duì)NiO 薄膜透過率的影響，即依據(jù)表1 中工藝參數(shù)制備的NiO 薄膜，干涉顯微鏡測(cè)得膜厚為145 nm±10 nm。從圖中可以看出，使用UV－1700 測(cè)的K9 玻璃基底上的NiO 薄膜透過率在可見光波段內(nèi)隨著退火溫度的升高明顯升高，退火溫度為500℃時(shí)NiO 薄膜的透過率在80%以上，且在可見光區(qū)域NiO 薄膜的透過率波動(dòng)不大，即可見光區(qū)域不存在選擇性透光。

圖3 退火溫度對(duì)NiO 薄膜透過率的影響

圖4 退火溫度對(duì)NiO 薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響

圖4為不同退火溫度下NiO 薄膜的XRD 圖譜?；撞捎玫腎TO 玻璃，圖中的衍射峰強(qiáng)度較弱。參照關(guān)于NiO 的PCPDFWIN 卡片，退火后在2θ=37.2°、43.3°附近有相對(duì)明顯的衍射峰，即分別在(1，1，1)和(2，0，0)晶向上。圖中有且僅有(1，1，1)和(2，0，0)方向上的衍射峰，隨著退火溫度的升高衍射峰明顯增強(qiáng)，這表明薄膜中僅存有NiO 晶體結(jié)構(gòu)，且隨著退火溫度的升高NiO 結(jié)晶度更好。

2.2 氮?dú)馔嘶饘?duì)ZnO:Al 薄膜的影響

圖5為退火溫度對(duì)ZnO:Al 薄膜透過率的影響，圖中顯示的是采用表2 工藝參數(shù)制備的ZnO:Al薄膜，基底是NiO/ITO 玻璃，ZnO:Al 薄膜薄膜厚度為250 nm±10 nm。由圖5 可知，隨著退火溫度的升高，ZnO:Al 薄膜的透過率有所提高，但是平均透過率并沒有NiO 薄膜退火后明顯，即在可見光區(qū)域平均透過率由退火前的85%上升到500℃退火后的95%左右。退火溫度對(duì)ZnO:Al 薄膜透過率的影響較小，分析原因可能是退火前ZnO:Al 薄膜透過率就已在80%以上，且退火前ZnO:Al 薄膜的XRD 圖譜中衍射峰值已經(jīng)比較明顯，與500℃退火后變化不是很大，如圖6所示，圖中NiO/ITO 薄膜在衍射峰強(qiáng)度甚小。退火前與500℃退火后，ZnO:Al 薄膜的結(jié)晶在(002)晶向的衍射峰的強(qiáng)度都很強(qiáng)，且差別不是大，這說明退火溫度對(duì)ZnO:Al 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)影響較小。

圖5 退火溫度對(duì)ZnO:Al 薄膜透過率的影響

圖6 退火溫度對(duì)ZnO:Al 薄膜晶體結(jié)構(gòu)的影響

2.3 氮?dú)馔嘶饘?duì)NiO/ZnO:Al 薄膜PN 結(jié)的影響

圖7為退火溫度對(duì)NiO/ZnO:Al 薄膜PN 結(jié)的影響。由圖可知，隨著退火溫度的升高NiO/ZnO:Al薄膜PN 結(jié)的整流特性更加明顯，退火溫度為400℃達(dá)到時(shí)最高，但是在500℃時(shí)PN 結(jié)的I－V 曲線明顯發(fā)生變化，PN 結(jié)的整流特性明顯低于退火前，分析原因可能有兩種情況，一是退火過程中NiO 薄膜脫氧導(dǎo)致載流子遷移率下降，NiO 薄膜P 型半導(dǎo)體材料特性降低;二是氮?dú)馔嘶饘?dǎo)致了氮?dú)獾膿饺耄绊懥薢nO:Al 薄膜的特性，相關(guān)文獻(xiàn)［12－13］顯示ZnO 摻雜氮后為多空穴的P 型半導(dǎo)體材料。因此，考慮到PN 結(jié)的整流特性和透過率，在400℃氮?dú)馔嘶饤l件下NiO/ZnO:Al 薄膜PN 結(jié)材料更適用于做太陽電池的窗口層。

圖7 退火溫度對(duì)NiO/ZnO:Al 薄膜PN 結(jié)的影響

3 結(jié)論

本文采用磁控濺方法在ITO 玻璃基底上分別濺射NiO 薄膜、ZnO:Al 薄膜，通過2 h 不同溫度的氮?dú)馔嘶鸪晒χ苽銷iO/ZnO:Al 透明薄膜異質(zhì)結(jié)二極管。結(jié)果表明:在≤500℃的退火溫度下，隨著退火溫度的增加，NiO/ZnO:Al 薄膜的透過率單調(diào)遞增;在退火溫度為400℃時(shí)，NiO/ZnO:Al 薄膜異質(zhì)結(jié)I－V 整流特性最佳，適用于p－i－n 型非晶硅太陽電池窗口層的研究。

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