濺射法制備摻鋯氧化鋅透明導電薄膜與薄膜特性研究.pdf

1、目前，關(guān)于ZZO薄膜的研究很少，有報道用PLD和sol-gel方法制備出了ZZO透明導電薄膜，幾乎沒有用濺射法制備該薄膜的報道。射頻濺射法做為一種現(xiàn)在廣泛使用的鍍膜方法，與PLD相比具有價格便宜、易于大面積均勻成膜等優(yōu)點，與sol-gel相比具有成膜質(zhì)量好、易于控制、與電子和微電子工藝相適應等優(yōu)點。因此，有必要用濺射法制備ZZO薄膜并研究其性能。 在本論文中，我們報道了用磁控射頻濺射法制備ZZO透明導電薄膜，系統(tǒng)分析了摻雜比例和

2、制備參數(shù)，如薄膜厚度、濺射氣壓和濺射功率等，對ZZO薄膜的結(jié)構(gòu)、成分、電學和光學等性質(zhì)的影響。 所有制備的樣品都是具有六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)的多晶薄膜，并且具有垂直于襯底的c軸擇優(yōu)取向。 為研究摻雜比例對薄膜性質(zhì)的影響，我們選取了五個摻雜比例不同的靶材制備樣品，靶中ZrO<,2>的比例分別為0wt.﹪，3wt.﹪，5wt.﹪，7wt.﹪和10wt.﹪。實驗中，濺射氣壓為0.6 Pa，濺射功率為100 W，薄膜厚度約為300 m。

3、Ar<'+>濺射剝離前的薄膜表面有明顯的有機碳污染，無法分辨出對應于zr 3d的峰；剝離之后，絕大多數(shù)碳污染被去除，zr 3d的峰也同時出現(xiàn)。剝離前的表面，約有一半的0原子為吸附的0離子，這些氧存在于-OH或OH…O結(jié)構(gòu)中。剝離后，對于所有的樣品，大多數(shù)Zn原子和O原子分別以Zn<'2+>和O<'2->的形式存在于理想化學配比的ZnO的纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，一小部分0原子以O<'2+>的形式存在于缺氧區(qū)域(即，氧空位附近)；大多數(shù)zr原子以zr

4、<'4+>的形式存在，但是對于不同的樣品處于不同的結(jié)構(gòu)中，有時主要作為替位原子取代Zn的位置，而有時主要存在于zrO<,2>結(jié)構(gòu)中。對于每一個樣品，薄膜中的O/Zn和Zr/Zn的值都要小于靶中的相應值。未摻雜的樣品處于嚴重的缺氧狀態(tài)；對于摻雜的樣品，O/Zn都大于80 at.﹪，并且隨摻雜比例沒有明顯變化。對于所有的樣品，c軸方向的晶格常數(shù)都大于標準ZnO體材料的相應數(shù)值。當摻雜比例從0wt.﹪增加到5wt.﹪，晶格常數(shù)從5.24A增加

5、到5.27A；當摻雜比例從5wt.﹪增加到10wt.﹪，晶格常數(shù)更明顯地從5.27A增加到5.40A。當摻雜比例從0wt.﹪增加到5wt.﹪，薄膜結(jié)晶質(zhì)量提高，晶粒尺寸由16.6nm增加到20nm；隨著摻雜比例進一步增加到10wt.﹪，晶粒尺寸又降至11.1nm。摻雜比例為5wt.﹪的樣品表面有比較致密的結(jié)構(gòu)并且起伏比較平緩。對于未摻雜的樣品，當T小于179 K時，電離雜質(zhì)散射是主要的散射機制；當T大于179 K時，起主導作用的是晶粒間

6、界散射。對于摻雜比例為5wt.﹪的樣品，在整個溫度范圍內(nèi)，主要的散射機制是電離雜質(zhì)散射。對于摻雜比例為7wt.﹪的樣品，在整個溫度范圍內(nèi)，晶粒間界散射為主要的散射機制。對于我們制各的薄膜，載流子的主要來源是氧空位和Zr取代．Zn而形成的替位摻雜。當摻雜比例從0wt.﹪增加到5wt.﹪，薄膜的電阻率減??；但是，當摻雜比例進一步增加到10wt.﹪，電阻率明顯增加。獲得的最低電阻率為1.61×10<'-3>Ω cm，此時霍爾遷移率為10.3

7、cm<'2>V<'-1>s<'-1>，載流子濃度為3.78×10<'20>cm<'-3>。所有薄膜在可見光區(qū)域的平均透過率都在90﹪以上。隨摻雜比例從Owt.﹪增加到5wt.﹪，光學帶隙從3.28 eV增加到3.35 eV；當摻雜比例進一步增加到10wt.﹪時，光學帶隙減小到3.32 eV。為研究薄膜厚度對薄膜性質(zhì)的影響，我們制備了六個厚度分別為100 nm，170nm,225 nm,345 nm,475 nm和600 nm的樣品，實驗

8、中，所用靶材的．ZrO<,2>摻雜比例為5wt.﹪，濺射氣壓為0.6 Pa，濺射功率為125 W。對于所有樣品，生長速率約為30 nm/min，隨濺射時間并沒有明顯變化。當厚度從100 nm增加到345 nm時，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提高，晶粒尺寸從9.39 nm增加到14 nm；從345 nm到475nm，晶粒尺寸幾乎不變；當厚度繼續(xù)增加時，晶粒尺寸略有變小。隨著晶粒尺寸的增加，薄膜表面粗糙度也同時增加。當厚度從100 nm增加到475 nm

9、，薄膜的電阻率持續(xù)減??；當厚度進一步增加到600 nm時，電阻率有所增加。獲得的最低電阻率為2.93×10<'-3>Ω cm，此時霍爾遷移率為13 cm<'2>V<'-1>s<'-1>，載流子濃度為1.71×10<'20>cm<'-3>。所有薄膜在可見光區(qū)域的平均透過率為90﹪左右，隨厚度的增加，透過率有所降低。隨厚度的增加，光學帶隙從3.42 eV減小到3.27 eV。 為研究濺射氣壓對薄膜性質(zhì)的影響，我們分別在0.6 Pa,

10、1.2 Pa，1.6 Pa,2.1 Pa和2.5 Pa氣壓下制各了樣品。實驗中，所用靶材的ZrO<,2>摻雜比例為5wt．﹪，濺射功率為100 w，薄膜厚度約為300 nm。當濺射氣壓由0,6 Pa增加到2,5 Pa,生長速率明顯降低，由20 nm/min降至9 nm/min。晶粒尺寸隨濺射氣壓的變化不大。當濺射氣壓從0.6 Pa增加到1.6 Pa，晶粒尺寸由20 nm增加為23.5 nm，隨著濺射氣壓繼續(xù)增加到3.0 Pa，晶粒尺寸減

11、小為20.5 nm 。當濺射氣壓比較低時，薄膜具有相對致密的結(jié)構(gòu)，表面有一定的起伏；隨著濺射氣壓的升高，薄膜表面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蛛x的晶粒，晶粒的周圍為孔洞。當濺射氣壓由0.6 Pa增加到2.5 Pa，薄膜的電阻率由明顯增加。獲得的最低電阻率為2.07x 10<'-3>Ω cm，此時霍爾遷移率為16 cm<.2>v<'-1> s<'-1>，載流子濃度為1.95×10<'20>cm<'-3>。隨濺射氣壓的增加，透過率有所降低，但是所有薄膜在可見

12、光區(qū)域的平均透過率都大于90﹪。隨濺射氣壓由0.6 Pa增加到2.5 Pa，光學帶隙從3.35 eV減小到3.20 eV。 為研究濺射功率對薄膜性質(zhì)的影響，我們分別用75 W，100 W，125 W和150 W的功率制備了樣品。實驗中，所用靶材的ZrO<,2>摻雜比例為5、wt．﹪，濺射氣壓為0.6Pa，薄膜厚度約為300 nm。隨著濺射功率由75 W增加到150 W，薄膜的生長速率從14 nm/min明顯增加到33 nm/mi

13、n。所有樣品c軸方向的晶格常數(shù)都介于5.25 A和5.28 A之間，這些數(shù)值都比ZnO體材料的相應參數(shù)(5.207 A)大。當濺射功率從75 w增加到100 w，薄膜的結(jié)晶質(zhì)量提高，晶粒尺寸從15.1 nm增加到20nm；但是隨著濺射功率進一步增加到150 W，晶粒尺寸從20 nm減小到10.3 nm。當濺射功率從75 W增加到100 w，薄膜表面形貌從小晶粒分散分布的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^致密的結(jié)構(gòu)；當濺射功率進一步增加到150 w，薄膜表面