ZnO透明導(dǎo)電薄膜的制備及性能優(yōu)化.pdf

1、氧化鋅(ZnO)作為一種寬禁帶II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，通過(guò)摻入Ga、Al等IIIA族元素能在很大程度的提升薄膜的導(dǎo)電性能。ZnO透明導(dǎo)電薄膜因其豐富的原材料儲(chǔ)備是一種最有希望替代ITO的透明導(dǎo)電氧化物，在平板顯示器、薄膜太陽(yáng)能電池、紅外反射膜等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 本文采用直流反應(yīng)磁控濺射制備ZnO透明導(dǎo)電薄膜，內(nèi)容涉及ZnO：Ga單層透明導(dǎo)電薄膜和摻雜ZnO與金屬Cu結(jié)合的多層結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電薄膜。實(shí)驗(yàn)以綜合評(píng)價(jià)透明

2、導(dǎo)電薄膜光電性能的指標(biāo)函數(shù)φTC為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)改變工藝參數(shù)并綜合運(yùn)用各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，改善ZnO透明導(dǎo)電薄膜的光電性能。通過(guò)研究得出以下主要結(jié)果：
　　 1.首次將多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法引入ZnO：Ga透明導(dǎo)電薄膜的研究，運(yùn)用正交分析法綜合研究了氧分壓、氬分壓、襯底溫度和濺射功率等工藝參數(shù)對(duì)直流反應(yīng)濺射制備ZnO：Ga透明導(dǎo)電薄膜電阻率的影響。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法的引入簡(jiǎn)化了薄膜電學(xué)性能的優(yōu)化過(guò)程，得到了最佳的工藝參數(shù)組合。更重要的是

3、，正交設(shè)計(jì)的方差分析還首次給出了各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)薄膜電學(xué)性能的影響程度，指出工作氣氛是直流反應(yīng)磁控濺射制備ZnO：Ga薄膜最重要的影響參數(shù)。最佳工藝參數(shù)組合條件下制備的ZnO：Ga薄膜的電阻率為2.6×10-4Ω·cm，可見(jiàn)光透過(guò)率超過(guò)90％。這些性能指標(biāo)與ITO薄膜相當(dāng)，具有巨大的應(yīng)用前景。
　　 2.針對(duì)ZnO透明導(dǎo)電薄膜的柔性襯底制備和低溫應(yīng)用，我們首先在室溫至400℃的廣闊范圍內(nèi)系統(tǒng)研究了襯底溫度對(duì)ZnO：Ga薄膜結(jié)構(gòu)、表

4、面形貌、光學(xué)和電學(xué)特性的影響。隨著襯底溫度的升高，薄膜的生長(zhǎng)方式從抑制型生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊峒せ钚蜕L(zhǎng)，較高的襯底溫度改善了沉積薄膜的結(jié)晶質(zhì)量也有利于Ga的摻雜。為了優(yōu)化ZnO：Ga薄膜的低溫生長(zhǎng)性能，我們將襯底溫度設(shè)定在150℃，選擇通過(guò)改變?yōu)R射功率來(lái)提高濺射粒子的能量。當(dāng)濺射功率提高到160W后，所得薄膜的性能在一定程度上得到了改善，此時(shí)獲得薄膜的電阻率為1.32×10-3Ω·cm。
　　 3.將金屬Cu層引入到室溫ZnO透明導(dǎo)電薄

5、膜的制備中，研究了Cu層厚度和退火溫度對(duì)ZnO：Ga/Cu、ZnO：Al/Cu和ZnO：Ga/Cu/ZnO：Ga等多層結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電薄膜光電性能的影響。隨著Cu層厚度的增加，薄膜結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光透過(guò)率輕微減弱但電學(xué)性能卻成數(shù)量級(jí)的提升，引入的Cu層向ZnO層中提供了大量的電子。各種多層結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電薄膜均在Cu層厚度為7.5nm時(shí)獲得最優(yōu)的性能指標(biāo)函數(shù)φTC值，多層結(jié)構(gòu)薄膜的性能指標(biāo)φTC相對(duì)單層摻雜ZnO薄膜有明顯的提升。真空條件下的退火可以