Ga摻雜ZnO透明導(dǎo)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(dǎo)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與現(xiàn)在常用的透明導(dǎo)電(TCO)薄膜ITO和SnO2:F薄膜相比，ZnO薄膜具有價(jià)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(diǎn)而備受青睞。為提高ZnO的導(dǎo)電性能，常采用Al、In、Ga等元素?fù)诫s，由于Ga的離子半徑和共價(jià)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(dǎo)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(zhì)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(zhì)量的GZO透明導(dǎo)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(jì)等測試手段對沉積的薄膜進(jìn)行了表征和分析；研究了薄膜的結(jié)構(gòu)、電學(xué)、光學(xué)、熱電性能。通過實(shí)驗(yàn)和研究分

3、析，得出以下主要結(jié)果：
　　 1.制備的GZO薄膜為六角纖鋅礦多晶結(jié)構(gòu)，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(jié)晶質(zhì)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(jià)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(dǎo)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(lán)移”現(xiàn)象，重?fù)诫s又會導(dǎo)致“紅移”產(chǎn)生，這與“B-M”效應(yīng)和多體效應(yīng)的聯(lián)合作用有關(guān)。
　　 5.GZO薄膜具有較強(qiáng)的熱電效應(yīng)，溫差電動勢為負(fù)，表明GZO為n型導(dǎo)電；隨著膜厚增加，賽貝克系數(shù)增大；1at.％Ga摻雜時(shí)，Seebcek系數(shù)絕對值為最

5、大值74.77μV/K。
　　 6.GZO薄膜具有較強(qiáng)的磁阻效應(yīng)，磁阻隨磁場強(qiáng)度和薄膜遷移率的增大而增大。磁場強(qiáng)度為2.15T時(shí)，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(qiáng)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