薄膜厚度对AZO薄膜光电性能的影响

范丽琴

（华侨大学厦门工学院，福建 厦门 341027）

薄膜厚度对AZO薄膜光电性能的影响

范丽琴

（华侨大学厦门工学院，福建 厦门 341027）

摘 要：通过射频磁控溅射技术在玻璃衬底上制备AZO薄膜，研究膜层厚度对AZO薄膜光电特性的影响。发现随着膜层厚度的增加，AZO薄膜在可见光区的平均透射率略微增长，而方块电阻和电阻率却显著递减，导致其品质因子随厚度增加而增加。在薄膜厚度为395 nm时，获得电阻率为3.24×10-3Ωcm，可见光区平均透射率为85.52%，品质因子为25.52×10-4Ω-1的光电性能良好的透明导电薄膜。本文制备的薄膜具有较优的透明导电性，可以广泛应用于太阳能电池、平板显示器等光电领域。

关键词：透明导电膜；掺铝氧化锌；磁控溅射；光电学性质

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0　引 言

氧化锌材料在自然界中资源丰富，价格便宜，且无毒，在沉积过程中具有较快的沉积速率，制成的薄膜具有良好的光学和电学性能，以及在环境中有较高的稳定性今年来被广泛地研究。但是纯的氧化锌薄膜电阻较高，且高温时电阻不稳定这时氧化锌的掺杂就显示出了优势，铝掺杂氧化锌(AZO)具有很好的导电性和较高的载流子浓度，被广泛地应用于传感器、液晶显示器、太阳能电池、有机无机发光器件等多种光电子器件领域[1, 2]。

在所有的制备方法中，磁控溅射是最常用的方法之一[3-9]，具有沉积速率高、薄膜与基片的附着性能好、致密度高、便于大批量生产等特点。但是溅射功率、衬底温度、氧分压等环境因素会对制备的薄膜性能产生重要的影响。Zhou[10]等在室温下通过射频磁控溅射沉积AZO透明导电薄膜，研究溅射功率对薄膜光电性能的影响，溅射功率从300 W增大到1200 W，在溅射功率增大到1000 W时得到薄膜最低电阻率为2.25×10-3Ωcm；Ayadi[11]等研究了衬底温度对所制备AZO薄膜结构和光电性能的影响，在衬底温度120 ℃时获得了最低电阻率1.64×10-4Ωcm，及在可见光区约90%的透射率。本文利用射频磁控溅射在玻璃基片上沉积AZO薄膜，研究薄膜的光学和电学特性，以实现高质量的透明导电电极。通过改变薄膜溅射时间获得不同厚度的薄膜，引入品质因子来分析薄膜厚度对所制备的薄膜的光电性能的影响，制备出光电性能较为良好的AZO薄膜。

1　实 验

利用JGP560BⅡ多功能磁控溅射仪通过射频磁控方法在BK-7玻璃基片上生长薄膜，靶材是用纯度为99.99%的ZnO混合1.5wt%的氧化铝，氧化铝的纯度为99.99%，衬底到靶材的距离(靶距)为90 mm。AZO薄膜的溅射功率为300 W，每次沉积薄膜前预溅射5 min。基片用蒸馏水，丙酮和酒精混合液超声清洗后再在氮气中干燥[12]。溅射前真空腔的气压为2.0×10-4Pa。溅射过程充入氩气作为工作物质，其流速用质量流量控制器控制，设置为100.0 sccm 。薄膜的沉积时间分别为120 s，180 s，310 s，430 s，550 s，为了叙述的方便分别称为样品A、B、C、D、E。

用UV-2450双光束分光光度计测量样品的正入射透射率T(%)，测量的波长范围在200-900 nm。样品的方块电阻RS，电阻率ρ，载流子浓度μ和霍尔迁移率N是通过Van der Pauw方法[13]测量和计算的。采用拟合透射光谱数据的方法[14]来计算薄膜的厚度d。并引入品质因子F=/R[15]来评价所制备薄膜的光电学性能的综合性质，其中是可见光区域的平均透过率，RS是样品的方块电阻。

图1　不同厚度的AZO薄膜的光学透射光谱Fig.1 Transmittance of AZO films as a function of thickness

图2　不同厚度的AZO薄膜在可见光区(430-700 nm)的平均透射率Fig.2 The average transmission in the visible region (430-700 nm) for the AZO films as a function of thickness

2　结果与讨论

2.1光学性质

图1为不同厚度AZO薄膜的光学透射光谱图，透射谱可分成3个区域：强吸收区(300-400 nm)、中等吸收区(400-520 nm)和透明震荡区(520-900 nm)。采用拟合透射光谱数据的方法[13]，计算得到样品A-E的厚度分别为70，130，210，285，395 nm(见表1)。样品在近紫外区均表现出很强的光吸收，有陡峭的截止吸收限和明显的干涉现象。图中光谱的极大值和极小值是由于入射光分别在空气与薄膜的界面以及薄膜与基片的界面反射，反射光进一步干涉所导致的。不同样品干涉峰的数量也不同，厚度越大，干涉峰数量越多。图1中样品E的干涉峰数量最多，这是样品E的厚度最大引起的。由图1还可知，所制备样品的透射率基本上在80%以上，可见所制备的样品都具备较好的光学特性。

图2为不同厚度的AZO薄膜在可见光区(430-700 nm)的平均透射率(T)，由图2可知，薄膜在可见光区的平均透射率随着薄膜厚度的增加而增加，薄膜厚度70 nm时的可见光区平均透射率最低为80.82%，当薄膜厚度增加到550 nm时，平均透射率增加到了85.52%。样品A的平均透射率最低，这是因为厚度较小的薄膜，晶粒尺寸较小，甚至含有微晶成分，晶界缺陷密度较大，对可见光能量的散射也较高。随着薄膜厚度的增加，薄膜结晶质量得到改善，对光的散射降低，透过率提高。由图1还可知随着厚度的增加，开始出现光的干涉现象，此时的薄膜相当于“增透膜”。

由图1中的光谱数据并利用计算机程序[13]拟合透射光谱的方法来计算薄膜的折射率(n)、消光系数(k)和薄膜的厚度(d)，图3给出了厚度为395 nm的典型样品E的折射率(n)和消光系数(k)随波长的变化关系，可见n和k具有类似的变化趋势，呈现出典型的色散特性[16]。

消光系数k与吸收系数 之间有下列关系:

由图3中数据消光系数k以及公式(1)求得吸收光谱α(λ)，由吸收光谱作α2-hv图，如图4所示。通过吸收系数与光子能量hv之间的关系可以求出直接光学带隙(E)，公式如下[17]:

其中，A为常数，将 图吸收边的线性关系延伸到与能量轴相交，得到直接光学带隙Eg。从中可得到样品E的光学带隙约为3.58 eV，比纯氧化锌(3.37 eV)高，这是因为导带的最低能级被大量的带电载流子占满，主要是由Burstein-Moss位移效应引起的[18, 19]。即薄膜中载流子浓度的升高使费米能级移向导带。

2.2电学性质

样品的厚度d、方块电阻、迁移率、载流子浓度和电阻率在表1中列出。样品的方块电阻和霍尔迁移率利用Van der Pauw方法测量，厚度(d)通过拟合透射光谱数据得到，然后根据以下公式计算所制备样品的ρ、N和μ。

上式中，RS为方块电阻，I为霍尔电流，UH为霍尔电压，B为垂直于膜面的磁场强度，e为电子电量。

由表1知，当样品的厚度增大到210 nm时，方块电阻和电阻率急剧减小，样品E最小分别为82 Ω 和3.24×10-3Ωcm。

为了实现该材料在可见光区有较高的透射率和较低的电阻率，引入品质因子(FTC)来分析和比较样品的透射和电阻[15]的综合性能，其中，T是可见光区(430-700 nm)的平均透射率，RS为所制备薄膜的方块电阻。由图2和表1数据并利用公式(5)计算样品的品质因子，样品品质因子与厚度之间的关系如图5所示。

图3　样品E的折射率(a)和消光系数(b)曲线Fig.3 Refractive index (a) and extinction coefficient (b) of thesample E as a function of wavelength

图4　样品E的吸收系数的平方随光子能量hv的变化情况Fig.4 Square of the absorption coefficient as a function of photon energy (hv ) for sample E

表1　样品的厚度d、方块电阻RS、迁移率μ、载流子浓度N和电阻率ρTab.1 Thickness, sheet resistance, mobility, carrier concentration and resistivity for sample

图5　AZO薄膜的品质因子随膜层厚度的变化情况Fig.5 Figure of merit for AZO films as a function of layer thickness

如图5所示，对于AZO薄膜，品质因子随着薄膜厚度的增加而增加，分析其原因，随着薄膜厚度的增加，AZO薄膜在可见光区的透射率几乎不变，而方块电阻随着厚度的增加显著减少，从1539减小到82 Ω/sq，当薄膜厚度增大到395 nm时，品质因子最大为25.52×10-4Ω-1。

3　结 论

本文研究利用射频磁控溅射陶瓷靶在玻璃衬底上沉积AZO薄膜，从测量的透射光谱数据分析，所制备的样品具有良好的光学透射率，并进一步研究了薄膜厚度对薄膜光电综合性能的影响，发现AZO薄膜随着膜层厚度的增加，可见光区的平均透射率呈略微增长的趋势，而方块电阻和电阻率却急剧减小，导致其品质因子随厚度增加而递增。本文制备的薄膜均具有良好的透明性和导电性，可广泛应用于液晶显示器、太阳能电池、发光器件等多种光电子器件领域。

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通信联系人：范丽琴(1983－)，女，硕士，讲师。

Received date: 2014-08-16. Revised date: 2014-09-12.

Correspondent author:FAN Liqin(1983-), female, Master, Lecturre.

The Effect of Thickness on Electrical and Optical Properties of AZO Films

FAN Liqin
(Xiamen Institute of Technology, Huaqiao University, Xiamen 341027, Fujian, China)

Abstract:Transparent conducting Al-doped zinc oxide (AZO) films were deposited on BK-7 glass substrates by radio frequency magnetron sputtering. The effect of thickness on electrical and optical properties of AZO films was studied. Results indicated that the figure of merit decreased as the average transmittance in visible spectral region for all samples slowly increased and the resistivity of the film sharply decreased when the thickness of AZO films increased. The highest figure of merit of 25.52×10-4Ω-1, with the lowest sheet resistance of 82 Ω/sq and the average transmittance of 85.52% was obtained when the thickness of AZO films was 395 nm. As-prepared AZO films with good transparent conductive properties can be widely used in various fields such as solar cells and flat panel displays.

Key words:aluminum-doped zinc oxide film; thickness; electrical properties; optical properties

中图分类号：TQ174.75

文献标志码：A

文章编号：1000-2278(2015)01-0023-04

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.01.005

收稿日期：2014-08-16。

修订日期：2014-09-12。

基金项目：福建省自然科学基金资助项目(编号：2007J0317)；福建省科技厅重点项目(编号：2007H0019)；福建省教育厅基金资助项目(编号：JB06104)。