缓冲层对AZO薄膜的性能影响＊

李长山，赵鹤平，肖立娟，郝嘉伟

（吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000）

缓冲层对AZO薄膜的性能影响＊

李长山，赵鹤平，肖立娟，郝嘉伟

（吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000）

采用射频磁控溅射法分别在ZnO缓冲层和Al2O3缓冲层上制备Al掺杂ZnO（AZO）薄膜，利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、紫外－可见分光光度计、霍尔测试仪等仪器对薄膜的光电特性进行表征.XRD分析结果表明，加入缓冲层的薄膜具有更好的c轴择优取向，薄膜的表面平整，结晶质量有所改善，薄膜在可见光范围内的平均透过率超过80%.引入ZnO缓冲层制备的AZO薄膜的最低电阻率为5.8×10－4Ω·cm，导电性能得到明显提高.

AZO薄膜；缓冲层；透过率；光电特性

透明导电氧化物薄膜以其良好的导电特性和在可见光区有较高的透过率，在太阳能电池、大屏显示器、光电器件领域获得了广泛的应用［1－2］.ZnO∶Al（AZO）透明导电膜的光电性能不仅能与透明导电薄膜材料ITO相当，而且AZO薄膜具有原料来源广泛、成本廉价、沉积需要的温度低、镀膜的面积大、可以大规模生产等优点.ZnO∶Al薄膜的制备可以采取很多种方法：脉冲激光沉积（PLD）、磁控溅射（MS）、分子束外延（MBE）、金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）、溶胶－凝胶（Sol－Gel）、喷涂热解（Spray－pyrolsis）等［3－6］，在这些制备方法中，磁控溅射方法是目前研究较成熟的一种ZnO薄膜制备方法［7］，该方法易操作，沉积速率高，沉积时衬底温度要求较低，薄膜的附着性好，能够获得大面积的薄膜等优点［8－9］.

文中采用射频磁控溅射法，成功地在玻璃上制备了ZnO缓冲层和Al2O3缓冲层的AZO薄膜，分析了不同的缓冲层对薄膜光电性能的影响.

1 实验方法

本实验采用射频磁控溅射法制备ZnO薄膜，JPG－450A型超高真空磁控溅射系统作为薄膜生产设备.选取掺有质量百分比为2%A（纯度为99.999%）的ZnO粉末（纯度为99%）经过高温烧结而制成的陶瓷靶材，衬底为玻璃衬底（7101载玻片），基底先后用无水乙醇、丙酮和离子水超声波清洗20min，再经过真空干燥箱干燥，最后放入溅射室.系统的本底真空大气压强为1.8×10－4Pa，溅射气体为高纯的氩气（纯度为99.999%），基底与靶材之间的距离为60mm，溅射压强保持1.0Pa，衬底温度为200℃，溅射功率为100W，缓冲层的溅射时间为5min，AZO薄膜的溅射沉积时间是40min，最后将制备的样品放在450℃的N2气条件下退火1h，本实验制备的样品分为以玻璃基底的AZO薄膜和以ZnOAl2O3为缓冲层AZO薄摸2种.

薄膜样品的表征采用X射线粉末衍射仪（Philips PW3040／60型），用来分析薄膜的物相结构和生长取向特性，采用紫外光分光计（Nicolet Evolution 500，美国Thermo）对薄膜的可见光范围内的透射率进行测量，薄膜的表面形貌特征采用扫描电子显微镜（NOVATM NanoSEM，捷克）来观察和测量，用台阶仪（DEKTAK 150）来测量薄膜的厚度，薄膜的方块电阻采用四探针测试仪（RTS－8型）进行测量.所有的测试均在常温下进行.

2 实验结果分析

2.1 薄膜的表面特征和形貌结构分析

图1 不同缓冲层上制备的AZO薄膜样品的XRD图谱

图1为生长在玻璃衬底上的样品和在缓冲层上的薄膜XRD图.从图1分析可以看出，3种样品都显示了良好的（002）晶面择优取向六方纤锌矿结构，引入缓冲层的薄膜衍射峰强度要比直接在玻璃衬底上生长的薄膜衍射峰强度强，原因是玻璃衬底具有立方晶系晶体结构，与薄膜接触面晶格失配比较大，与AZO薄膜的晶格失配度相对较高，不利于AZO薄膜的生长.玻璃衬底的热膨胀系数和晶格常数与AZO薄膜不同而发生应力作用，影响薄膜的质量［10］，结晶质量不好.引入缓冲层之后，有效地改善晶格失配，且半宽高变小.加入缓冲层厚薄膜的结晶质量会明显得到改善，XRD图谱的衍射峰值变大，半高宽（FWHM）逐渐减小，3种样品均显示了沿（002）晶面择优生长的趋势，说明薄膜呈C轴择优取向.

不同缓冲层AZO薄膜样品的XRD参数见表1.

表1 不同的缓冲层AZO薄膜样品的XRD参数

从表1中可以看出，与标准的XRD图谱相比较，峰位的衍射角右移，衍射角变大.由布拉喇衍（Bragg）射公式2dsinθ＝nλ（其中：n为整数；λ为入射波长；d为晶面间距；θ为衍射角.）可知：衍射角度变大，晶面间距减小.究其原因是薄膜中Al3＋取代了Zn2＋的位置，Al和Zn原子的半径不同，在AZO薄膜中Al3＋取代了Zn2＋，引起了晶格畸变［7－12］，晶体中沿C轴方向存在应力［7，12］，从而导致了衍射峰的位置也发生相应移动.3种样品的晶面间距变化依次变小，晶粒尺寸逐渐在变大，其中缓冲层的（002）衍射峰要比玻璃衬底的要大很多，ZnO缓冲层的薄膜峰值要高于Al2O3缓冲层，3种样品的半宽高也是依次减小的，这说明引入缓冲层后，薄膜的的残余应力减少，晶粒的结晶尺寸变大，薄膜的结晶质量变好.薄膜表面形貌的SEM图如图2所示.

图2 不同缓冲层AZO薄膜表面形貌的SEM图

由图2可知，相对于直接在玻璃衬底上的样品，添加缓冲层后的薄膜质量有了明显的变化，薄膜的粗糙度降低，晶界变得清晰，薄膜缺陷减少，晶粒分布更均匀，排列更加规则，且ZnO缓冲层的样品薄膜质量最好.因此，加入缓冲层后薄膜的结晶质量有了明显的提高，这与XRD分析的结果是一样的.

2.2 光学性能

用紫外分光光度计在波长可见区300～800nm范围内测试薄膜的透过率，得到了薄膜的透射光谱曲线如图3所示.从图3可知：可见光区域的平均透过率在80% 以上，而引入缓冲侧的透过率最高达到89%，平均透过率高于直接玻璃衬底的样品，这是因为引入缓冲层后，薄膜的晶粒尺寸增大，晶界减少，薄膜的缺陷减少，薄膜的结晶质量变好，对光的散射和吸收减少，光的透射率增加.

2.3 薄膜的电学性能

不同缓冲层的AZO薄膜电阻率曲线如图4所示，从图4可知，加入缓冲层的样品电阻率明显下降，玻璃、Al2O3缓冲层和ZnO缓冲层样品的电阻率分别为9.5×10－4Ω·cm，6.7×10－4Ω·cm，5.8×10－4Ω ·cm.电阻率降低原因是施加缓冲层后，缓冲层与薄膜的接触面晶格失配变小，薄膜的结晶质量变好，薄膜的内部缺陷减少，所以电阻降低.因为ZnO是六角铅锌矿结构，AZO薄膜是纯氧化锌的纤锌矿结构，AZO的晶格常数、晶格结构与ZnO最为接近，所以其电阻率比Al2O3的六方晶系结构缓冲层低，从而降低了电阻率.从图4还可以看出，加入缓冲层厚的AZO薄膜比在玻璃上直接沉积的薄膜电阻率低，薄膜表现出了更好的导电性能.

图3 不同缓冲层对AZO薄膜透光的影响

图4 不同缓冲层的AZO薄膜电阻率曲线

3 结语

采用射频磁控溅射方法，分析比较了直接在玻璃衬底上制备AZO薄膜与直接在玻璃衬底上加入Al2O3、ZnO 2种缓冲层上制备AZO薄膜的结构、光电特性，通过XRD，SEM和霍尔测试仪表征后分析表明：引入缓冲层后，薄膜的结构得到了改善，表面的粗糙度降低，C轴取向提高，薄膜的电学性能有了显著的改善，导电性变强，薄膜在可见光范围内的平均光透率达80%以上（最高达到了89%），且引入缓冲层后薄膜的性能得到了提高.

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Key worlds：AZO thin film；buffer layer；transmittance；optoelectronic properties

（责任编辑 陈炳权）

Effect of Buffer Layers on the Properties of Al－Doped ZnO Films

LI Chang－Shan，ZHAO He－Ping，XIAO Li－Juan，HAO Jia－Wei
（College of Physics and Electronic Engineering，Jishou University，Jishou 416000，Hunan China）

AZO films with Al2O3and ZnO buffer layers were deposited by RF magnetron sputtering.The structure and optoelectronic properties of AZO films were analyzed by some characterization instruments，such as X－ray diffractometer（XRD），scanning electron micro－scope（SEM），UV－visible spectrophotometer，Hall test.The results show that the films with buffer layers have better c－axis preferred orientation，and smooth surface.The crystal quality has been improved.The transmittance of films is over 80%in the visible range.AZO films deposited on ZnO buffer layer have the lowest resistivity of 5.8× 10－4Ω·cm，and the conductive property of the films is improved obviously.

O484

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2013.03.007

1007－2985（2013）03－0031－04

2013－04－20

湖南省自然科学基金资助项目（09JJ6011）；湖南省高等学校科研基金资助项目（08A035）；湖南省研究生科研创新项目（CX2011B399）

李长山（1987－），男，黑龙江哈尔滨人，吉首大学物理与机电工程学院硕士生，主要从事凝聚态物理研究

赵鹤平（1966－），男（土家族），湖南张家界人，吉首大学物理与机电工程学院教授，硕导，主要从事凝聚态物理研究.