張敏 杜鵑

摘 要：通過(guò)分析直流磁控濺射技術(shù)低溫制備高電導(dǎo)和高透明的氫摻雜AZO薄膜實(shí)驗(yàn)，明確了濺射技術(shù)對(duì)于低溫制備AZO薄膜的重要作用。由此可以證明，引入適量氫氣，有利于提升AZO薄膜的電阻率。

關(guān)鍵詞：直流磁控濺射技術(shù)；低溫制備；高電導(dǎo)；高透明；氫摻雜AZO薄膜

中圖分類(lèi)號(hào)：O484 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，摻鋁氧化鋅比錫摻雜氧化銦含有的Zn儲(chǔ)量更為豐富，且前者的成本也比較低，更是具有無(wú)毒的特點(diǎn)，處于氫等離子體與活性氫環(huán)境下，穩(wěn)定性非常高。所以摻鋁氧化鋅這種透明導(dǎo)電薄膜材料具有非常好的發(fā)展前景。但要想制備具有良好光電性能的摻鋁氧化鋅薄膜，對(duì)于溫度的要求比較高，從而在一定程度上對(duì)低溫工藝的實(shí)際應(yīng)用造成限制。為了解決這一問(wèn)題，對(duì)氫摻雜AZO薄膜進(jìn)行研究的過(guò)程中，始終將重點(diǎn)放在射頻磁控濺射方法這一方面，對(duì)以直流磁控濺射制備氫摻雜AZO薄膜的關(guān)注反而較少。所以，該文重點(diǎn)圍繞直流磁控濺射技術(shù)低溫制備氫摻雜AZO薄膜展開(kāi)論述。

1 實(shí)驗(yàn)流程

1.1 組織實(shí)驗(yàn)

該次實(shí)驗(yàn)主要采用AZO透明導(dǎo)電薄膜，實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是應(yīng)用直流磁控濺射技術(shù)，準(zhǔn)備0.7 mm厚襯底的浮法玻璃，按照丙酮、酒精、去離子水的順序超聲清洗玻璃。正式開(kāi)始實(shí)驗(yàn)期間，以含有2 %氧化鋁的氧化鋅陶瓷靶作為靶材。前腔室本底的真空度是2.0×10-3 Pa，濺射的氣體為高純氬氣，將該氣體的流量設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，氫氣流量在0 mL/mim～7.5 mL/mim變化。濺射功率是在100～250變化，濺射氣壓則是在0.5 Pa～0.7 Pa變化，襯底溫度在100℃～200 ℃。

測(cè)試AZO薄膜方塊電阻，主要是應(yīng)用數(shù)字式探針測(cè)試儀，通過(guò)方塊電阻與薄膜厚度對(duì)薄膜電阻率進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。透射譜測(cè)量則是采用UV-3100雙光束分光光度計(jì)，薄膜厚度通過(guò)透射譜進(jìn)行計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)最終明確了摻氫AZO薄膜性能的幾個(gè)影響因素，具體如下。

2.1 襯底溫度

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)無(wú)氫摻雜AZO薄膜沉積參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出襯底最佳溫度是200 ℃。針對(duì)氫摻雜AZO薄膜，因?yàn)橐r底溫度會(huì)對(duì)薄膜內(nèi)氫逸出產(chǎn)生影響，所以在此基礎(chǔ)上也在實(shí)驗(yàn)中明確了襯底溫度對(duì)于H摻雜AZO薄膜造成的影響。隨后繪制各個(gè)襯底溫度環(huán)境下，制備的AZO薄膜電阻率和透射譜，薄膜厚度是450 nm，氫氣流量是0.7 mL/mim。由此可以確定，如果溫度不斷增長(zhǎng)，那么電阻率會(huì)先降低再升高。如果襯底溫度達(dá)到175 ℃，這時(shí)最低電阻率為1×10-3 Ω·cm。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是襯底溫度提升之后，襯底表面濺射粒子的遷移也會(huì)有所增多，從而有效提升了薄膜結(jié)晶度與載流子遷移率，合理降低電阻率，如果是在200 ℃環(huán)境下，電阻率提升，那么原因極有可能是高襯底溫度下氫逸出，導(dǎo)致氫摻雜量少。此外，如果摻氫量保持恒定，那么溫度不斷提升，透射率也不會(huì)出現(xiàn)明顯的變化。

2.2 氫氣流量

當(dāng)氫氣流量是0.7 mL/mim，這時(shí)處于優(yōu)化環(huán)境之下的AZO薄膜電阻率會(huì)達(dá)到最低，但是這與其他氫氣流量下的數(shù)值相比依然比較高。為了能夠?qū)鋼诫sAZO薄膜電阻率再一次降低，實(shí)驗(yàn)中采取了增加氫氣流量的方法。分析各個(gè)溫度下AZO薄膜電阻率受氫氣流量影響情況，發(fā)現(xiàn)AZO薄膜的厚度在450 nm左右。分析可知，電阻率在氫氣流量提升的影響下降低，當(dāng)氫氣流量是5.5 mL/mim時(shí)，電阻率最低，隨后略微有所提升，高溫、低溫情況相似。連接氫氣電阻率之后出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，原因可能是氫被當(dāng)作間隙原子，和AZO晶粒內(nèi)氧共同構(gòu)成了O-H鍵，發(fā)揮淺能級(jí)施主雜質(zhì)這一優(yōu)勢(shì)，從而提高了載流子濃度。如果氫氣流量比較高，這時(shí)電阻會(huì)增加，氫已經(jīng)無(wú)法再摻加雜質(zhì)，而是作為缺陷核心將載流子遷移率。

如果氫氣流量是5.5 mL/mim，這時(shí)襯底溫度會(huì)有所提升，電阻率隨之降低，當(dāng)襯底溫度達(dá)到225 ℃之后，AZO薄膜電阻率的最低值是4.4×10-4 Ω·cm。這一結(jié)論和之前所述氫氣流量0.7 mL/mim且襯底溫度為175 ℃時(shí)的電阻率最低數(shù)值存在差異。分析其原因，極有可能是氫摻雜量超過(guò)規(guī)定要求時(shí)，基于225 ℃這種高溫環(huán)境下氫逸出并沒(méi)有對(duì)載流子濃度造成顯著影響，相反襯底溫度提高，對(duì)于薄膜結(jié)晶度的提升以及缺陷減少有一定優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提升載流子遷移率。所以，在225 ℃溫度下，電阻率最低。如果氫摻雜量比較低，這時(shí)襯底溫度如果較高，那么氫逸出會(huì)使載流子濃度出現(xiàn)明顯下降，襯底溫度如果提高，將會(huì)導(dǎo)致載流子遷移率提升不能夠有效彌補(bǔ)氫逸出，進(jìn)而使載流子濃度降低，所以，當(dāng)溫度為175 ℃時(shí)，電阻率達(dá)到最低。

在各個(gè)氫氣流量下，針對(duì)制備AZO薄膜X射線(xiàn)的衍射圖譜進(jìn)行分析，可以了解到AZO薄膜的衍射峰有且只有2個(gè)，即35 °衍射峰以及65 °衍射峰，前者衍射峰比較弱，后者衍射峰較強(qiáng)，證明摻氫AZO薄膜順延65 °衍射峰生長(zhǎng)。受氫氣流量增多的影響，65 °衍射峰也會(huì)隨之加強(qiáng)，證明薄膜結(jié)晶度不斷提升。原因是氫能夠刻蝕AZO薄膜內(nèi)弱鍵，從而加速薄膜晶化。

對(duì)于氫氣所具有的作用，通過(guò)表面形貌測(cè)試進(jìn)行分析。通過(guò)分析無(wú)氫氣、有氫氣狀態(tài)下的掃描電鏡表面形貌圖，了解到一旦通入氫氣，這時(shí)薄膜的表面粗糙度便會(huì)增加。原因有2點(diǎn)，其一是沉積期間氫氣對(duì)薄膜表面進(jìn)行刻蝕，導(dǎo)致表面粗糙；其二，一旦通入氫氣，薄膜結(jié)晶度會(huì)提升，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生大晶粒，從而導(dǎo)致表面粗糙。AZO薄膜在薄膜太陽(yáng)電池透明電極中應(yīng)用，如果形成粗糙表面，對(duì)于陷光結(jié)構(gòu)有一定優(yōu)勢(shì)，并且可以提升太陽(yáng)電池工作效率。

當(dāng)氫氣流量是5.5 mL/mim且襯底溫度在125 ℃～225 ℃，這時(shí)進(jìn)行AZO薄膜透射譜制備，可以通過(guò)計(jì)算的方式了解AZO薄膜可見(jiàn)光區(qū)的平均透射率，最后得出的結(jié)論均超過(guò)85 %，透光性非常好。此外，實(shí)驗(yàn)可知?dú)錃饬髁吭?.5 mL/mim時(shí)，在該溫度范圍之內(nèi)，所制備的AZO薄膜電阻率小于5.6×10-4 Ω·cm，所以可以確定的是其電阻率較低，最低可達(dá)到4.5×10-4 Ω·cm。由此可見(jiàn)，該次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，利用濺射這種方式摻加氫氣，可以在125 ℃～255 ℃的低溫范圍內(nèi)進(jìn)行高電導(dǎo)和高透明的氫摻雜AZO薄膜制備，并且保證薄膜質(zhì)量。

3 結(jié)論

使用直流磁控濺射技術(shù)低溫制備高電導(dǎo)和高透明的氫摻雜AZO薄膜，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明可以利用摻加氫氣的方式，降低AZO薄膜電阻率，如果襯底溫度在125 ℃～225 ℃，那么可以制備出電阻率較低的AZO薄膜。

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