脈沖偏壓占空比對(duì)磁控濺射制備ITO薄膜光電性能的影響

霍秋紅 張翔 王昆侖

摘 ?要：作為應(yīng)用最為廣泛的ITO透明導(dǎo)電薄膜一直是材料和電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。實(shí)驗(yàn)利用磁控濺射方法制備了不同脈沖偏壓占空比的ITO薄膜。采用X射線衍射儀（XRD）、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）、紫外-可見光分光光度計(jì)和霍爾效應(yīng)測(cè)量?jī)x分別對(duì)薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌和光電特性進(jìn)行了測(cè)試分析。結(jié)果表明：占空比變化對(duì)ITO薄膜性能有著顯著的影響。薄膜存在（211）（222）和（440）三個(gè)衍射峰，擇優(yōu)取向隨著占空比的改變而改變，而且不同的占空比導(dǎo)致薄膜的晶粒尺寸發(fā)生了明顯的變化。另外，隨著占空比增加，薄膜的透過(guò)率和電阻率呈現(xiàn)非線性變化的趨勢(shì)，薄膜在560納米波段有97%的高透過(guò)率。當(dāng)占空比為20%時(shí)，薄膜具有最低電阻率（2.70×10-4 Ω·cm）和最高可見光平均透過(guò)率（89.58%），此時(shí)薄膜的光電性能相對(duì)最佳。

關(guān)鍵詞：ITO薄膜;磁控濺射;占空比;光電性能

中圖分類號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：As a widely used transparent conductive oxides widely used，tin doped indium oxide（ITO）is always the hotspot in the fields of electronic materials. ITO thin films with different pulse bias duty cycle were prepared by magnetron sputtering.The X-ray diffraction（XRD），field emission scanning electron microscopy（FESEM），ultraviolet visible light spectrophotometer and Hall effect measurement were used to test the films microstructure，surface morphology and photoelectric properties. The results show that the change of duty ratio has a significant influence on the performance of ITO films. Three orientations of （211）（222）and （440）of ITO films were detected，Meanwhile，the grain sizes of the films changed obviously with different duty cycles. With the duty cycle increasing，the transmittance and resistivity of the films showed a trend of nonlinear variation，and the films had a high transmittance of 97% at 560nm. When the duty cycle is 20%，the film has the lowest resistivity（2.70 ×10-4Ω·cm） and the highest average transmittance（89.58%），which means it has the best photoelectric property.

Key words：ITO films;Magnetron sputtering;Duty cycle;Optoelectronic property

一、引言

ITO（Indium-Tin Oxide）透明導(dǎo)電膜，是一種體心立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)的寬禁帶透明導(dǎo)電材料。它具有優(yōu)異的光電性能：對(duì)可見光透過(guò)率可達(dá)85%以上，低電阻率（10-3Ω·cm～10-4Ω·cm），較寬的能隙（Eg=3.6eV～3.9eV），同時(shí)還具有高硬度、耐磨、耐化學(xué)腐蝕特性以及容易刻蝕成一定形狀的電極圖形等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、液晶顯示器等光致發(fā)光元器件上[2]。

制備ITO薄膜的方法很多，如磁控濺射法[3]、電子束蒸發(fā)法[4]、噴霧熱分解法[5]、溶膠-凝膠法[6]等。在這些方法中，磁控濺射鍍膜可以準(zhǔn)確地控制工藝參數(shù)，大面積襯底上均勻成膜，重復(fù)性好，獲得光電性能優(yōu)異的ITO薄膜[7]。在磁控濺射鍍膜的過(guò)程中，影響ITO薄膜性能的因素有很多，包括射頻功率、濺射氣壓、退火溫度、薄膜厚度、基底溫度、脈沖偏壓以及脈沖偏壓占空比等，其中脈沖偏壓占空比對(duì)薄膜性能影響的相關(guān)研究很少。然而，改變脈沖偏壓占空比，可以調(diào)節(jié)轟擊離子的時(shí)間—空間分布，進(jìn)而影響薄膜沉積過(guò)程中表面原子的擴(kuò)散進(jìn)程，最終改變薄膜的各項(xiàng)性能[8]。

實(shí)驗(yàn)以脈沖偏壓占空比作為研究變量，著重研究脈沖偏壓占空比對(duì)磁控濺射制備ITO薄膜相關(guān)特性的影響，以期尋找到脈沖偏壓占空比對(duì)ITO薄膜光學(xué)、電學(xué)、表面微觀形貌以及微觀組織結(jié)構(gòu)等的影響規(guī)律，從而獲取到更好的薄膜制備條件。

二、實(shí)驗(yàn)

通過(guò)射頻磁控濺射，在玻璃襯底上制備不同脈沖偏壓占空比條件下的ITO薄膜。首先在靶基距11厘米、溫度200℃、氬氣15sccm離子源占空比40%、離子源電流0.4安的條件下，通過(guò)離子源對(duì)襯底進(jìn)行清洗1分。隨后，在射頻電源功率350瓦、偏壓20伏、溫度200℃、氬氣40sccm、氣壓0.4帕，沉積時(shí)間8.5分的條件下，制備不同脈沖偏壓占空比的ITO薄膜。采用分光光度計(jì)、X射線衍射儀（XRD）、霍爾效應(yīng)測(cè)量?jī)x以及掃描電子顯微鏡（FESEM）對(duì)薄膜的光學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能以及微觀形貌進(jìn)行分析。

三、結(jié)果與討論

圖1為10%、15%、20%、25%和30%的脈沖偏壓占空比下，ITO薄膜的XRD衍射圖譜。從圖中可以看出，不同占空比條件下的ITO薄膜的衍射峰均對(duì)應(yīng)于In2O3立方晶體結(jié)構(gòu)。不同的占空比并沒(méi)有出現(xiàn)Sn及其氧化物的衍射峰，只是讓薄膜沿不同晶面生長(zhǎng)的比例發(fā)生了變化，這表明Sn已經(jīng)完全摻雜在In2O3晶格中。當(dāng)占空比為20%時(shí)，薄膜沿（222）晶面的生長(zhǎng)被削弱，（211）和（440）衍射峰為主強(qiáng)峰，表明薄膜沿（211）和（440）方向擇優(yōu)生長(zhǎng);當(dāng)占空比為15%和30%時(shí)，（211）和（440）衍射峰明顯下降，X射線衍射圖譜呈現(xiàn)明顯的（222）擇優(yōu)取向;當(dāng)占空比為10%和25%時(shí)，薄膜結(jié)晶的晶面沿（211）、（222）和（440）的生長(zhǎng)概率幾乎相同?？傊?，脈沖偏壓占空比對(duì)ITO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)有著一定程度的影響。

圖2是不同脈沖偏壓占空比條件下，ITO薄膜的透過(guò)率曲線。不同偏壓占空比的ITO薄膜透過(guò)率變化不大，在整個(gè)可見光波段均表現(xiàn)出高于75%的透過(guò)率。其中10%、15%、30%占空比條件下制備的薄膜光學(xué)特性近似相同，而在20%占空比的條件下，薄膜透過(guò)率的峰值發(fā)生了偏移，透過(guò)率曲線整體向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向發(fā)生移動(dòng)（紅移），這與薄膜的厚度發(fā)生變化有關(guān)。

圖3顯示了不同脈沖偏壓占空比下ITO薄膜的電阻率變化?？梢钥闯?，電阻率變化并不是隨著占空比的增加出現(xiàn)線性變化，而是隨著占空比增加，電阻率先降低、然后升高、最后又降低。在10%的占空比條件下，ITO薄膜的電阻率達(dá)到了實(shí)驗(yàn)樣本的最大值3.52×10-4Ω·cm，而當(dāng)占空比為20%時(shí)，薄膜的電阻率達(dá)到最低，最低電阻率為2.70×10-4Ω·cm，此時(shí)薄膜導(dǎo)電性能最佳。

為了進(jìn)一步了解薄膜的電學(xué)性質(zhì)變化，對(duì)薄膜的霍爾遷移率和載流子濃度進(jìn)行了測(cè)試。圖4為ITO薄膜的霍爾遷移率與脈沖偏壓占空比的關(guān)系。從圖中可以看出，在占空比從10%增大到30%的過(guò)程中，薄膜霍爾遷移率的變化規(guī)律不同于電阻率，呈現(xiàn)先降低、后升高、繼續(xù)升高、再降低的趨勢(shì)。在15%脈沖偏壓占空比的條件下，薄膜的霍爾遷移率相對(duì)最低，20%的遷移率次之。而相對(duì)最高的遷移率出現(xiàn)在占空比為25%的條件下。圖5為不同脈沖偏壓占空比下，ITO薄膜載流子濃度的變化。和圖4對(duì)比發(fā)現(xiàn)，薄膜的載流子濃度和霍耳遷移率隨占空比變化的趨勢(shì)正好相反。正是在載流子濃度和載流子遷移率的共同作用下，導(dǎo)致薄膜電阻率呈現(xiàn)如圖3所示的變化趨勢(shì)。

圖6為不同占空比條件下，ITO薄膜的表面微觀形貌。由圖可見，ITO薄膜的形貌在不同條件下有明顯差別，表面顆粒大小和形狀均發(fā)生變化。這可能與薄膜結(jié)晶性的改變有關(guān)（如XRD結(jié)果所示）。隨著占空比增加，晶粒大小呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)。當(dāng)占空比為10%時(shí)，薄膜的晶體結(jié)構(gòu)較其他更加細(xì)密，且相比其他條件下晶粒尺寸最小。當(dāng)占空比增大至30%，晶粒尺寸達(dá)到最大值。

四、結(jié)論

筆者采用磁控濺射的方法在玻璃襯底上制備了不同脈沖偏壓占空比條件下的ITO透明導(dǎo)電薄膜，并對(duì)薄膜的光學(xué)性能、晶體結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能以及表面形貌進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明不同脈沖偏壓占空比的ITO薄膜均表現(xiàn)出良好的可見光透過(guò)率。隨著脈沖偏壓占空比增加，ITO薄膜電阻率呈現(xiàn)非線性變化，當(dāng)占空比為20%時(shí)，薄膜的電阻率達(dá)到最低，為2.70×10-4Ω·cm。同時(shí)，薄膜的結(jié)晶程度和表面形貌也隨著脈沖偏壓占空比的變化而改變。這說(shuō)明脈沖偏壓占空比對(duì)ITO透明導(dǎo)電薄膜的光電性能以及微觀結(jié)構(gòu)形貌都有一定的影響，當(dāng)占空比為20%時(shí)，薄膜的電學(xué)性能和光學(xué)性能最佳。

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