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ZnO基透明导电薄膜的生长技术
1概述
氧化物透明导电(TCO,TransparentConductiveOxide)薄膜
的光电特性为禁带宽、可见光透射率高,达到75%以上;电阻率低,
小于10-3Ω·cm。广泛应用于薄膜太阳能电池,OLED,LCDs,以及各
种汽车应用(如自愈式防水防反射低热导率涂层、防冻低热导率涂层、
光控隐私玻璃等)。
目前TCO薄膜主要包括In、Sb、Zn和Cd的氧化物以及复合多
元氧化物薄膜,其中In2O3基薄膜的研究最为成熟。由于In非常稀
有,价格昂贵,在大规模应用上受到限制,许多人转而研究成本较低
的ZnO基薄膜。室温下ZnO禁带宽度3.3eV,激子束缚能60meV,
可以获得强激子发射。而且ZnO的电导、光导、压电、声光、气敏和
催化特性在较大范围内可以控制调节。因此ZnO薄膜具有诱人的发
展前景。
由于纯ZnO是本征n型半导体,存在的本征施主缺陷对受主掺
杂产生高度的自补偿作用,难以得到p-n结结构。为了制备高空穴浓
度和低电阻率的ZnO薄膜,科学家们做了大量的工作。N掺杂和N-
Ga、N-In、N-Al等共掺是目前获得p-ZnO的主要途径。从成本上看,
实现大规模生产的N-Al共掺具有重大的应用价值。本文主要报告
ZnO基薄膜的制备与研究。实验室生长ZnO基薄膜的方法主要分子
束外延、溅射、脉冲激光沉积(PLD)、喷雾热解、溶胶一凝胶技术(sol-
ge1)等。
2真空蒸镀法
电子束反应蒸发和分子束外延都要求高真空的本底环境。电子束
反应蒸发要求衬底有良好的热镀特性,分子束外延衬底温度低,束流
强度易于精确控制,膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。
周红采用电子束蒸发方法制备的ZnO基薄膜具有较高的透明度,
不同的温度下可见光透过率均大于70%;随着测试温度的升高,平均
透过率有明显减小。张世玉等采用激光分子束外延方法,改变衬底温
度和氧压制备ZnO薄膜。结果表明衬底温度400℃,氧压1Pa左右
制备的薄膜表面比较均匀致密,晶粒生长比较充分,具有较高的结晶
质量和发光强度。随氧压的增大,ZnO薄膜的结晶变差,而近带边发
光增强。宿世臣等用等离子体分子束外延设备制备ZnO薄膜。在衬
底温度为800℃时,得到的ZnO薄膜结构、光学、电学性质较好。x
射线衍射峰的最大半峰全宽为0.05°,紫外發光来源为ZnO自由激子
发光,霍尔迁移率为51cm2/(V·s),载流子浓度为1.8×1018cm-3。
3溅射法
溅射(Sputtering)法具有衬底温度低,薄膜质纯,组织均匀密
实,牢固性和重现性好等优点。各种制备工艺参数如衬底温度、溅射
功率、气体压强、溅射时间、薄膜的结构及光电性能具有重要影响。
焦飞等实现了大面积均匀镀膜,并能获得定向生长的薄膜。制备
的AZO薄膜电阻率达到1.0×10-3Ω·cm,载流子浓度为6.182×1019,
对于波长大于400nm的光,平均透过率约90%。
汪小小等证实室温下O2/Ar流量比为3:4时,所得薄膜结晶度
最佳。范丽琴等发现随着氧气流量的增加,电阻率(ρ)先减小后增
大,在氧气浓度为0.5%时获得最低电阻1.5×10-3Ω·cm。所有样品在
可见光区的平均光学透过率都在85%左右,在氧气浓度增到1.5%时可
见光区的平均透射率达87%。代海洋等调整溅射功率,160W时制备
的ZAO薄膜c轴择优取向性最强。所得薄膜在可见光区的透过率平
均值高达90%以上,受溅射功率影响不大。在340nm~420nm波长
附近ZAO薄膜透过率急剧下降,呈现明显的紫外吸收边。王岩岩等
测得随着AZO薄膜厚度的增加,薄膜结晶性能变好,电阻率降低,
可见光透过率减小。薄膜厚度为1420nm时具有最佳的光电特性,
其电阻率可降至4.2×10-3Ω·cm,可见光范围的平均透过率大于82%,
且在600nm波段的透过率高达92%。
陈薇薇等得出ZnO薄膜性质随退火温度变化间的关系。在300~
600℃的温度范围内逐渐增加退火温度,薄膜的结晶度有所提高,晶
粒尺寸逐渐增大,晶面间距间隙,薄膜的致密性提高,随退火温度升
高,薄膜的可见光范围的透射率略有提高,平均透射率都达到80