缓冲层对AZO薄膜光电性能的影响

周　媛，肖立娟，吴忆华，徐忠平，陈耀星，霍堡垒

(吉首大学　物理与机电工程学院，吉首　416000)



缓冲层对AZO薄膜光电性能的影响

周媛，肖立娟，吴忆华，徐忠平，陈耀星，霍堡垒

(吉首大学物理与机电工程学院，吉首416000)

摘要该文综述了利用外延技术在高失配度的基片上生长同质或者异质缓冲层能够提高AZO薄膜的质量。重点阐述不同工艺条件下制备缓冲层对AZO薄膜光电性能影响，介绍AZO薄膜发展近况，并指出目前AZO薄膜发展瓶颈，展望了其未来发展趋势。

关键词AZO薄膜；外延技术；缓冲层

AZO薄膜是迄今为止最佳的ITO膜代替品，因为其光电特性性能优异，在透光性和电阻率方面几乎和ITO不相上下。在不同文献上有很多学者对AZO薄膜的光电特性做了大量的实验研究[1-3](如掺杂及制备工艺等)工作，发现缓冲层的厚度对AZO薄膜性能影响较大。本文综述了加入缓冲层对AZO薄膜结构、光电性能的影响，共同探讨和改善目前AZO薄膜的性能。

1AZO薄膜外延技术

1.1外延生长简介

外延生长指在一个单晶的衬底上，定向地生长出与基底晶态结构类似或相同的晶态薄层。根据不同的外延生长过程可以将外延生长分为直接和间接生长两种形式。直接生长相对比较容易控制，它的生长材料本身就是生长层的源物质，我们只需要通过蒸发、升华和溅射等方式使其在衬底表面形成一定的原子级薄膜层即可；间接生长即代表生长层的源物质不是生长材料本身，而是其他物质通过化学反应而形成的。间接生长虽然难以控制其生长时的化学反应，但在大部分情况下都必须通过一定的化学反应才能形成需要的外延层。

衡量外延生长品质最重要的条件就是外延层和镀膜材料的晶格匹配度大小。按照晶格匹配度的大小将外延生长分为共度生长与不共度生长。衬底与外延层的晶格类型相同且晶格常数相等即晶格失配度为0，称为共度生长也称为共格生长。衬底与外延层的晶格常数不同(失配)即称为不共度生长，异质外延的不共度生长可以用失配度k来表示：

k=(a1-a2)/a2

这里a1与a2为外延层和基底的晶格常数。按照采用的淀积并外延生长的原子与衬底原子是不是同一化学元素可分为异质外延与同质外延。

1.2外延生长在AZO薄膜上的影响及应用

利用外延技术制备薄膜材料可以有效地调节晶格失配和热膨胀系数失配对晶体外延生长的影响，在外延层中产生大量缺陷，甚至无法生长单晶，都会影响器件的性能和寿命。然而那些晶格匹配度很好的衬底材料存在着很多限制其发展的因素，如价格昂贵、不易解理、导电和散热性能较差等缺点。因此，为了更好地发展AZO薄膜使其性能发挥最大的应用，目前很多研究人员采用外延法改善AZO薄膜的晶格匹配度，即在高失配基片上生长同质或者异质缓冲层来提高AZO薄膜质量，合理的缓冲层可以有效地缓解薄膜与衬底间的晶格失配和热失配，使ZnO薄膜的c轴择优取向性改善。根据不同缓冲层材料与衬底的晶格失配度可以选取适当的材料作为外延生长材料。

2不同制备条件下缓冲层对AZO薄膜的影响

文献[4]认为薄膜的质量关键取决于氢钝化、缓冲层与表面化学处理，在薄膜和衬底间引入缓冲层可以使得衬底和薄膜间的缺陷减少很多。而缓冲层的厚度对AZO薄膜性能的影响又很显著，我们可以从不同的制备条件来讨论缓冲层对AZO薄膜的影响程度。

2.1材料不同条件下缓冲层对AZO薄膜的影响

通过大量实验，我们发现加入不同的缓冲层对AZO薄膜性能的影响是不同的。下面对比分析分别在玻璃基片、SnO2、SiO2、Al2O3、AZO本征材料上生长的AZO薄膜的SEM图谱(如图1所示)[5-6]，分别标记为样品1，2，3，4号和5号。从图中可以看出，1号和2号样品的晶粒形状不规则，晶粒在表面有团簇形成；而3号、4号和5号样品的表面光滑平整，晶粒尺寸均匀，晶界清晰，显示出很好的取向生长，说明薄膜的质量较好。并且发现采用异质缓冲层Al2O3来生长AZO薄膜有很大的优势，因为ZnO解离产生的O与Al不饱和键相互结合，弥补了O空位缺陷，通过O的扩散作用，形成以Zn原子为终止表面结构薄膜。此时AZO薄膜与Al2O3衬底表面最靠近ZnO层中，存在较多的Zn空位缺陷，这些Zn缺陷同时被ZnO离解后产生Zn不饱和键所弥补，从而改善了AZO薄膜内部缺陷。

图1　不同缓冲层上制备的AZO薄膜的SEM 图

图2　不同缓冲层的AZO薄膜的电阻率和光透过率

2.2不同缓冲层厚度对AZO薄膜性能影响

从晶格失配度的角度来分析，文献[7]的实验结果表明了随着缓冲层厚度的增加，薄膜中的残余应力减少，当缓冲层达到一定厚度后，会达到最小应力值；但若缓冲层继续增厚，薄膜中的应力反而会增加。如表1所示，a，b，c，d，e分别为在缓冲层溅射时间为1，3，5，8 min和直接溅射在玻璃基片上的AZO薄膜的XRD参数。可见在5号样品时薄膜残余应力达到了最小值，其他样品的薄膜残余应力都大于5号样品。所以缓冲过厚或者过薄都不利于减小薄膜的晶格失配度，在文献[7]的实验中，5号样品的厚度在小幅度波动范围内才可以减小薄膜中的残余应力，让薄膜晶粒尺寸变大，优化薄膜结构。

表1　不同缓冲层厚度的AZO薄膜样品的XRD参数、应变及应力计算结果

*ASTM stands for American Society for Testing and Materials

从图3对电学性能上的影响来分析，在王鹏、赵青南[7]的实验中，我们也可以发现各个样品的方阻也随着缓冲层厚度的增加，先减小再增大，对比没有缓冲的样品来说，缓冲层的加入都可以提高其导电性能。所以适当厚度的缓冲层可以使薄膜的晶粒结构更加完好，从而减少对薄膜中的自由电子的散射，增加薄膜中的自由电子浓度，使得AZO薄膜的导电性能提高。

图3　薄膜方阻与缓冲层厚度的关系

图4　AZO薄膜的透过率随同质缓冲层厚度的变化

从样品的可见光透过率来分析，文献[8]的实验结果表明，可见光范围内的透过率受同质缓冲层的厚度影响比较小。如图4所示，缓冲厚度的改变让透过率在一定范围内有所波动，但是并无太大影响。综上所述，在合适的缓冲层厚度可以有效地减少薄膜与衬底间的晶格失配度，降低薄膜电阻并且不影响薄膜的可见光透过率，进而优化了薄膜综合性能。

2.3不同衬底下的不同厚度缓冲层对AZO薄膜的影响

通过已知的实验可知，在仅有衬底不同以及固定缓冲层厚度的条件下，AZO薄膜的性能也有很大不同。如在靶材与衬底间距固定为5 cm、真空为5×10-4Pa、射频功率为225 W、工作气压保持为0.8 Pa，ZnO缓冲层厚度依次为0，50，100，150，200 nm的实验条件下，分别在Si、石英以及A12O3/GaN衬底下制备AZO薄膜[9]。

2.3.1不同厚度缓冲层在不同衬底上制备AZO薄膜电阻率对比

表2　不同缓冲层厚度对Si衬底上制备的AZO薄膜电学性能的影响

表3　不同缓冲层厚度对石英衬底上制备的AZO薄膜电学性能的影响

表4　不同缓冲层厚度对Al2O3/GaN衬底上制备的AZO薄膜电学性能的影响

由表2～表4可知，3种基底性能最优异的缓冲层厚度及最优电阻率分别为：Si基底上的150 nm缓冲层，电阻率为1.93×10-3Ω·cm；石英基底上的150 nm缓冲层，电阻率为2.05×10-3Ω·cm；A12O3/GaN基底上的50 nm缓冲层，电阻率为4.96×10-4Ω·cm。所以在A12O3/GaN衬底上生长50 nm ZnO缓冲层的AZO薄膜相对来说具有最优良的电学性能。

2.3.2不同厚度缓冲层在不同衬底上制备AZO薄膜载流子迁移率对比

图5　不同缓冲层厚度对Si衬底上制备的AZO薄膜载流子迁移率的影响

图6　不同缓冲层厚度对石英衬底上制备的AZO薄膜载流子迁移率的影响

图7　不同缓冲层厚度对Al2O3/GaN衬底上制备的AZO薄膜载流子迁移率的影响

由图5～图7可知，在不同的衬底上AZO薄膜的载流子迁移率不同，在Si、石英和Al2O3/GaN衬底上载流子迁移率先增加后减小，这是因为随着缓冲层厚度的增加，载流子迁移率逐渐下降，晶界和缺陷对载流子的散射作用降低了载流子的迁移率，这说明AZO薄膜结晶质量逐渐变差，AZO薄膜的导电性逐渐降低。而在适当厚度的缓冲层上AZO薄膜的结晶质量好，而结晶质量的提高又会有效削弱晶界和缺陷对载流子的散射作用，从而提高AZO薄膜的导电性，优化了AZO薄膜的电学性能。

3AZO薄膜发展现状

4结束语

综上所述，AZO薄膜在各种电池制备与改进中有广泛的应用，而缓冲层对AZO薄膜光电性能的研究具有重要的意义，只有不断地完善制作工艺参数并且适当改进制备材料，如使用纳米复合材料[21]，才能取得新的突破。缓冲层是影响AZO薄膜性能不可忽略的因素之一，研究表明异质缓冲层材料Al2O3明显优于同质缓冲层材料，而异质缓冲层的不同厚度对AZO薄膜的影响尚未发现有学者进行过探究，所以本文推断，使用适当厚度的异质缓冲层材料Al2O3可以在一定程度上优化AZO薄膜的光电特性。另外许多材料通过改变分子取向来制作性能更加优异的太阳能电池，ZnO在C轴取向十分明显，如果采用不同取向的材料进行合成，或许也将提高太阳能电池效率。

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·计算机科学与实验·

收稿日期:2015-08-27；修改日期:2016-05-01

基金项目：吉首大学2014年大学生研究性学习与创新性实验计划项目(72)；吉首大学校级科研项目(14JD031)。

作者简介：周媛(1994-)，女，本科生，物理与机电工程专业。

中图分类号O484

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.011

Effect of Buffer Layer on Properties of AZO Film

ZHOU Yuan，XIAO Lijuan，WU Yihua，XU Zhongping，CHEN Yaoxing，HUO Baolei

(College of Physics and Mechatronics Engineering，Jishou University，Jishou 416000，China)

AbstractThe quality of AZO thin films can be improved using the epitaxial technique on growing the homogeneous or heterogeneous buffer layer on the substrate with high mismatch.The influence of the preparation parameters of different buffer layers on the photoelectric properties of AZO film and the AZO films’s recent developments are emphatically expounded.Moreover，the development of AZO film and the future development trend are prospected.

Key wordsAZO thin film;epitaxy technology;buffer layer