氧摻雜對磁控濺射ZAO薄膜性能的影響

2014-03-13 劉沅東北京四方繼保自動化股份有限公司

　　通過磁控濺射氧化鋁鋅陶瓷靶材的方法在玻璃基片上制備ZAO薄膜，研究了不同氧摻雜量對于ZAO膜電學(xué)及光學(xué)性能的影響，使用X射線衍射儀衍射分析了薄膜相結(jié)構(gòu)，使用四探針方阻儀測試薄膜的方阻，采用紫外可見分光光度計(jì)測試薄膜透過率。結(jié)果表明：在通入較低氧分量時對ZAO薄膜結(jié)晶性能及光電性能沒有太大的影響，但隨著氧分量的增加ZAO薄膜性能急劇下降。

　　摻鋁氧化鋅(ZAO)薄膜在可見光區(qū)具有高的透過率，極低的電阻率，并且作為摻雜的Al元素具有原料易得、價格低、無污染等優(yōu)點(diǎn)。因此，ZAO薄膜已廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、太陽能器件、半導(dǎo)體等領(lǐng)域中。制備ZAO薄膜的方法主要有：磁控濺射、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積、溶膠-凝膠等方法，其中磁控濺射的方法最適合大面積工業(yè)化生產(chǎn)。

　　一些研究表明采用磁控濺射法制備ZnO系列薄膜時進(jìn)行氧摻雜有助于ZAO和ZnO薄膜結(jié)晶質(zhì)量的提高和(002)峰的擇優(yōu)取向，但此類研究多為實(shí)驗(yàn)室的小型濺射機(jī)及進(jìn)行小面積基片的鍍膜。本文使用可進(jìn)行較大面積鍍膜的濺射鍍膜線對玻璃基片進(jìn)行ZAO薄膜的制備，研究氧摻雜對ZAO薄膜性能的影響，驗(yàn)證其對于實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用價值。

1、實(shí)驗(yàn)方法

　　采用中頻交流磁控濺射系統(tǒng)制備ZAO薄膜,系統(tǒng)極限真空約為5.0×10-4Pa。工作氣體為氬氣和氧氣,通過質(zhì)量流量計(jì)來控制工藝氣體流量，采用Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的氧化鋅鋁陶瓷靶材,靶材有效面積為80mm×360mm,靶與基體距離為80mm。基體為玻璃(厚度為3mm，面積為900cm2)。實(shí)驗(yàn)時本底真空度為1.0×10-3Pa，基片溫度控制在250℃，具體沉積工藝可見表1。

　　使用TencorD-100型臺階儀測量制備薄膜的厚度,使用D/max2RBX射線衍射儀衍射分析薄膜的相結(jié)構(gòu)，使用ZNR-1B四探針方阻儀測試薄膜的方阻，采用島津UV-2450紫外可見分光光度計(jì)測試薄膜透過率，采取隨機(jī)從玻璃基片上選點(diǎn)進(jìn)行分析測試。

表1 ZAO薄膜制備實(shí)驗(yàn)參數(shù)

ZAO薄膜制備實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2、結(jié)果與討論

　　圖1(a)為不同氧摻雜量制備ZAO薄膜的XRD圖譜，不同氧摻雜量制備的ZAO薄膜都具有(002)的擇優(yōu)取向,隨著氧摻雜量的增加,(002)晶向峰強(qiáng)逐漸減弱。圖1(b)為ZAO薄膜的XRD圖譜中(002)衍射峰的半高寬對比，可以看出，隨著氧含量的增加，ZAO薄膜的半高寬逐漸變大，與圖1中的衍射峰強(qiáng)相對應(yīng)可以說明，在濺射中摻雜氧元素會使薄膜的結(jié)晶性變差，這應(yīng)該是因?yàn)檠踉負(fù)诫s會增加ZAO薄膜中鋅的空位能級，從而影響到按低能晶面鋅原子面的(002)方向擇優(yōu)生長的生長模式。

不同氧摻雜量ZAO薄膜XRD圖譜

圖1 不同氧摻雜量ZAO薄膜XRD圖譜(a)及(002)峰半高寬(b)對比

　　表2為不同氧摻雜量制備ZAO薄膜的方阻及電阻率對比，隨著氧的摻雜量增加，方阻及電阻率都上升，相對于無摻雜情況，氧摻雜量很低時(0.5%)，薄膜的導(dǎo)電性能不受太大的影響。ZAO主要依靠氧缺位進(jìn)行導(dǎo)電，當(dāng)薄膜中的氧含量較多時，氧缺位相應(yīng)減少從而使載流子濃度下降影響其導(dǎo)電能力。

表2 不同氧摻雜量ZAO薄膜方阻及電阻率對比

不同氧摻雜量ZAO薄膜方阻及電阻率對比

　　圖2為不同氧摻雜量制備ZAO薄膜的透過率及光學(xué)帶隙對比曲線，可以看出,當(dāng)氧的摻雜量很小時，薄膜的透過率與未摻雜時基本一致，當(dāng)摻雜量上升時，透過率隨之下降;薄膜的光學(xué)帶隙隨著氧摻雜量的增加逐漸變小，向未進(jìn)行摻雜的ZnO薄膜帶隙3.2eV方向偏移。這主要是因?yàn)樵黾拥难踉赜绊懥吮∧さ慕Y(jié)晶質(zhì)量，薄膜中缺陷中心的增加引起對光散射機(jī)制的增強(qiáng)從而影響到薄膜的透過及其光學(xué)帶隙，并且由于薄膜中氧元素的增加占據(jù)氧空位會使薄膜更加偏向于無摻雜本征態(tài)的ZnO薄膜，所以其光學(xué)帶隙隨氧含量的增加產(chǎn)生藍(lán)移。

不同氧摻雜量制備ZAO薄膜透過率