Ga摻雜ZnO透明導電薄膜的制備與光電性能研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)是II-VI族直接帶隙(3.3eV)半導體氧化物，由于其優(yōu)良的光電特性等,在發(fā)光器件、紫外探測器、太陽能電池、氣敏元件以及聲表面波器件等領域得到了廣泛的應用。與現(xiàn)在常用的透明導電(TCO)薄膜ITO和SnO2:F薄膜相比，ZnO薄膜具有價格便宜，在活性氫和氫等離子體環(huán)境下穩(wěn)定性高等優(yōu)點而備受青睞。為提高ZnO的導電性能，常采用Al、In、Ga等元素摻雜，由于Ga的離子半徑和共價鍵長度(0.62埃和1.26埃)與Zn非常相

2、近(0.74埃和1.34埃)，高摻雜濃度下導致ZnO的晶格畸也較小，因此，有必要研究Ga摻雜ZnO(GZO)薄膜，以期獲得質量更優(yōu)的TCO膜。
　　 本文采用射頻磁控濺射法在玻璃襯底上制備了高質量的GZO透明導電膜，研究了襯底溫度、Ga摻雜濃度、薄膜厚度等對薄膜性能的影響；用 XRD、AFM、SEM、XPS和紫外-可見雙光束分光光度計等測試手段對沉積的薄膜進行了表征和分析；研究了薄膜的結構、電學、光學、熱電性能。通過實驗和研究分

3、析，得出以下主要結果：
　　 1.制備的GZO薄膜為六角纖鋅礦多晶結構，具有（002）擇優(yōu)取向，晶粒大小為10～30nm，適量的Ga摻雜濃度及襯底溫度能夠提高結晶質量，增大晶粒尺寸，使薄膜表面更加致密。
　　 2.XPS分析表明：Zn和Ga元素分別以Zn2+和Ga3+形式存在，未發(fā)現(xiàn)其它價態(tài)的Zn和Ga元素，薄膜中Ga含量比靶中Ga含量稍高。
　　 3.膜厚、摻雜濃度、襯底溫度對GZO薄膜的電阻率有較大影響

4、，增大厚度、中等摻雜濃度、中等襯底溫度，利于獲得高導電性能。
　　 4.GZO薄膜的可見光透射率平均值均在80％以上，隨著摻雜濃度的提高，薄膜的光吸收邊會向短波方向移動，發(fā)生“藍移”現(xiàn)象，重摻雜又會導致“紅移”產(chǎn)生，這與“B-M”效應和多體效應的聯(lián)合作用有關。
　　 5.GZO薄膜具有較強的熱電效應，溫差電動勢為負，表明GZO為n型導電；隨著膜厚增加，賽貝克系數(shù)增大；1at.％Ga摻雜時，Seebcek系數(shù)絕對值為最

5、大值74.77μV/K。
　　 6.GZO薄膜具有較強的磁阻效應，磁阻隨磁場強度和薄膜遷移率的增大而增大。磁場強度為2.15T時，3at％Ga摻雜GZO薄膜的磁阻率為最大值0.77％。
　　 7.綜合光、電性能，提出沉積GZO薄膜的優(yōu)化工藝條件為：摻雜濃度3at.％，襯底溫度300℃，工作壓強2Pa，靶基距7cm，功率160W。在此條件下制備的ZnO:Ga薄膜電阻率為1.44×10-3Ω.cm，平均透光率在80％以上