濺射氣壓對(duì)Li-W共摻雜ZnO薄膜性能的影響
通過RF磁控濺射在不同濺射氣壓環(huán)境中，在石英襯底上制備得到Li-W共摻雜ZnO薄膜(LWZO) 。對(duì)樣品進(jìn)行X 射線衍射(XRD) 、掃描電鏡(SEM) 、透過率以及電阻率的測(cè)試。結(jié)果表明：適當(dāng)濺射氣壓環(huán)境下，有助于提高LWZO 薄膜的結(jié)晶質(zhì)量； SEM 結(jié)果顯示隨著濺射氣壓增加LWZO 薄膜表面晶粒粒徑更小，表面更平整； 薄膜的透光率保持在85% 左右。光致發(fā)光光譜表明：LWZO 的光致發(fā)光由本征發(fā)光及缺陷發(fā)光組成，結(jié)晶度高以及擇優(yōu)取向好，本征發(fā)光強(qiáng)度強(qiáng)。同時(shí)，薄膜的最低電阻率也達(dá)到了6. 9 × 10-3 Ωcm。
氧化鋅(ZnO) 是一種直接寬禁帶氧化物半導(dǎo)體，晶體結(jié)構(gòu)屬于六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)； 室溫下其禁帶寬度達(dá)到3.37 eV，激子結(jié)合能達(dá)60 meV，可以成為制備藍(lán)光及紫外光電子器件的理想材料。同時(shí)，ZnO還可廣泛應(yīng)用于透明導(dǎo)電薄膜、平板顯示器、太陽電池前電極、化學(xué)傳感劑、表面聲波器件及有機(jī)發(fā)光二極管等相關(guān)領(lǐng)域。通常情況下，未摻雜的ZnO 薄膜表現(xiàn)出n 型導(dǎo)電，這主要是由ZnO 薄膜內(nèi)部的氧空位(VO) 、鋅填隙原子(Zni) 等本征缺陷引起； 通過Ga，Al，W， In 等施主摻雜還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO 薄膜內(nèi)部載流子濃度的控制。鎢(W) 作為高價(jià)元素，進(jìn)入ZnO 薄膜內(nèi)部可以形成更多的氧空位(Vo) ，增加載流子濃度； 同時(shí)，鋰(Li) 可作為受主摻雜進(jìn)入ZnO薄膜，可有效增加ZnO 薄膜電學(xué)性能的穩(wěn)定性。本文主要在不同濺射氣壓制備得到Li-W 共摻雜薄膜(LWZO) ，分析了濺射氣壓對(duì)LWZO 薄膜的結(jié)晶性能、表面形貌、光學(xué)性能的影響以及電學(xué)性能的影響。
1、實(shí)驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)以石英玻璃為襯底采用射頻磁控濺射法，在襯底溫度為100℃，不同濺射氣壓條件下沉積LWZO。所用的材料：靶材( Li-W 共摻ZnO 陶瓷靶：99. 99%，摩爾比：ZnO∶ Li2O∶ WO3 = 97. 5∶ 1. 5∶1) ，濺射氣體Ar∶ 99. 99%。靶基距： 70 mm；背景壓強(qiáng)：5 × 10 - 4 Pa； 工作氣壓為1 Pa，氣體總流量為30.0 mL /min( 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) (Ar) ，濺射功率為250 W，濺射沉積時(shí)間：60 min；在沉積LWZO 薄膜前預(yù)濺射15 min，保證靶面清潔。分別得到1# 樣品LWZO 薄膜(0.6 Pa) ，2# 樣品LWZO 薄膜(0.8 Pa) ，3# 樣品LWZO 薄膜(1.0 Pa) ，4# 樣品LWZO 薄膜(1.2 Pa)以及5#樣品LWZO 薄膜( 1.4 Pa) 。
LWZO 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)分析，采用的是德國Bruker 公司的D8Advance 型X 射線衍射儀( XRD) 。測(cè)試條件：Cu 靶Kα 輻射，管電壓40 kV，電流40mA，λ = 0.15418 nm，掃描步頻0.02°，掃描范圍10°～60°。采用FEI QuanTA-200F 型環(huán)境電子顯微鏡( ESEM) 觀察LWZO 薄膜的表面形貌和結(jié)構(gòu)。采用Backman-Du 8B 型紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)量LWZO薄膜的光學(xué)透過率。所有LWZO 薄膜的電阻率采用四探針電阻率測(cè)試儀測(cè)定。樣品的光致發(fā)光(PL) 光譜用Hitachi F-7000 型熒光分光光度計(jì)測(cè)定，激發(fā)源為150 W 的Xe 燈，激發(fā)波長325 nm。所有測(cè)試均在室溫下完成。
3、結(jié)論
采用RF 磁控濺射法在石英襯底上制備得到LWZO 薄膜，并且著重研究了薄膜的結(jié)晶性、表面形貌、光學(xué)透過率以及薄膜的電阻率。通過XRD 可知，隨著濺射氣壓的增加，得到的LWZO 薄膜結(jié)晶度先增加后減小，同時(shí)(002) 和(100) 峰的2θ 值向小角度移動(dòng)。SEM 結(jié)果顯示隨著濺射氣壓增加LWZO 薄膜表面晶粒粒徑更小，表面更平整。在400 ～1200 nm 波長范圍內(nèi)，LWZO 平均透過率達(dá)到85%以上。室溫PL 分析發(fā)現(xiàn)，LWZO 薄膜樣品的發(fā)光由本征發(fā)光及缺陷發(fā)光組成。濺射氣壓在1.0 Pa左右，LWZO 薄膜的本征發(fā)光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，說明適當(dāng)?shù)臑R射氣壓有利于提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量以及薄膜的擇優(yōu)向生長。隨著LWZO 薄膜結(jié)晶性的增加，薄膜的電阻率也顯著下降。
