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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