In摻雜濃度對(duì)ZnO薄膜結(jié)構(gòu)、光學(xué)及電學(xué)特性的影響

王 冬

（重慶師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，重慶 401331）

透明導(dǎo)電氧化物（TCO）是一種具有低電阻率、高可見光透過率和高熱/化學(xué)穩(wěn)定性的材料，廣泛應(yīng)用于平面顯示器、薄膜晶體管和薄膜太陽能電池等光電子器件領(lǐng)域。當(dāng)前，氧化銦錫（ITO）因其突出的電學(xué)和光學(xué)性能而被作TCO的理想材料。然而，ITO具有低穩(wěn)定性、高毒性和高成本等問題，使得人們不斷努力開發(fā)替代材料。近年來，氧化鋅（ZnO）以其低成本和優(yōu)異的光電性能被認(rèn)為是替代ITO的極佳選擇。為提高ZnO薄膜的電導(dǎo)率和透光率，通常在ZnO中加入Al、Ga、In等 III族元素，其中In3+半徑與 Zn2+半徑最為接近，摻雜后引起的ZnO晶格畸變更?。淮送?，In 的電負(fù)性大，相比 Al、Ga、Zn 更加遲鈍，難以形成氧化物，有利于替代Zn晶格位，實(shí)現(xiàn)有效施主摻雜。鑒于ZnO薄膜的光學(xué)、電學(xué)性能受摻雜的In含量影響較大，那么系統(tǒng)研究In摻雜濃度對(duì)ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)、電學(xué)和光學(xué)性能的影響，探索最佳的In摻雜濃度，對(duì)開發(fā)實(shí)用型ZnO薄膜材料顯得十分重要。

1 實(shí)驗(yàn)

借助射頻磁控濺射技術(shù)在石英襯底（5×5 mm）上制備了3種不同In（0%、1%、2%）摻雜濃度的ZnO薄膜，分別標(biāo)記為S1、S2、S3。腔體的本底真空度為2×10-4Pa；生長過程中，通入40 sccm的高純氬氣到腔體中，控制濺射氣壓、濺射功率和時(shí)間分別為1.0 Pa、120W和90min。所制備的薄膜厚度由SEM測(cè)量。使用具有銦-鎵合金作為電極的Ecopia HMS-3000霍爾測(cè)試儀測(cè)試樣品的電學(xué)性質(zhì)，以確保良好的歐姆接觸。通過X射線衍射儀器表征薄膜晶體結(jié)構(gòu)，其X射線發(fā)射源為CuKα1（λ=0.1540598nm）。采用紫外-可見-紅外分光光度計(jì)（日立U-4100）測(cè)試薄膜的光學(xué)特性。

2 結(jié)果與討論

圖1給出了不同In摻雜濃度對(duì)ZnO薄膜的膜厚和晶體結(jié)構(gòu)的影響。從圖1（a-c）可以發(fā)現(xiàn)：晶粒呈現(xiàn)柱狀生長，In摻雜使得薄膜生長率減緩。從圖（d）可以看到，樣品S1、S2、S3均有明顯的002峰出現(xiàn)，表明所有樣品均為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，且沿c軸擇優(yōu)生長。In摻雜ZnO薄膜的002峰的強(qiáng)度相比于純ZnO薄膜有所減弱，表明In摻雜導(dǎo)致了薄膜晶體質(zhì)量的衰退。

圖1 不同ZnO薄膜的SEM截面圖

圖2給出了不同In摻雜濃度下的ZnO：In薄膜的透射譜。從圖2中發(fā)現(xiàn)，所有樣品在可見光范圍內(nèi)都具有良好的透過率，均在85%以上。圖2中插圖為ZnO：In薄膜的禁帶寬度和載流子濃度隨In濃度增加的變化情況。隨著In摻雜濃度的增加，電子濃度逐漸提高，并伴隨著光學(xué)禁帶寬度的擴(kuò)大，源于Burstein Moss效應(yīng)的存在。In作為有效的施主摻雜，提供了過量的電子濃度，導(dǎo)致n型重?fù)诫s的形成。而在導(dǎo)帶已有大量電子填入，使得電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶需要獲得更多的能量，間接擴(kuò)大了光學(xué)帶隙。

圖2 不同ZnO薄膜的透射光譜

3 結(jié)語

本課題研究了In摻雜濃度對(duì)ZnO薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)及電學(xué)性能的影響。結(jié)果表明所有的ZnO：In薄膜均呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，In摻雜會(huì)降低薄膜的生長率和結(jié)晶質(zhì)量。In作為有效的施主型摻雜可明顯提高ZnO的電子濃度。此外，隨著In含量增加，薄膜的光學(xué)禁帶寬度增加，與Burstein Moss效應(yīng)密切相關(guān)。