溅射气压对Al掺杂ZnO薄膜光电性能的影响

高松华， 高立华， 肖荣辉

(三明学院机电工程学院， 福建三明 365004)

溅射气压对Al掺杂ZnO薄膜光电性能的影响

高松华， 高立华， 肖荣辉

(三明学院机电工程学院， 福建三明 365004)

采用射频磁控溅射技术，在常温状态下在玻璃衬底上制备了Al掺杂ZnO透明导电薄膜．利用XRD和AFM分别对薄膜的晶体结构和表面微观形貌进行了表征，利用紫外-可见分光光度计和霍尔效应测试仪对薄膜的光电性能进行了测试，并分析讨论了不同溅射气压对Al掺杂ZnO薄膜结构、形貌和光电性能的影响．结果表明，在本实验条件下制备的薄膜均为良好的c轴择优取向；在可见光范围内样品的平均透过率都高于85%；在溅射气压为1．2Pa时，薄膜的结晶度、电阻率和透过率都达到了最佳值．

磁控溅射；Al掺杂ZnO薄膜；溅射气压；电阻率；透过率

本征氧化锌薄膜的电阻率高于105Ω·cm， 掺杂(Al、 In、 B、 Ga等)可使其电阻率降低， 导电性能大幅提高[1-4]， 这是因为Al掺杂ZnO时， 铝原子的半径(0.057 nm)比锌的原子半径(0.083 nm)小， 锌原子容易被铝原子代替， 铝原子容易成为间隙原子而存在. 由于掺铝氧化锌(Al∶ZnO)薄膜与纳米铟锡(ITO)的光电性能相近， 具有高的透过率和低的电阻率， 所以掺铝氧化锌作为n型氧化锌材料， 是研究最为广泛的透明导电薄膜[5-7].

制备掺铝氧化锌(Al∶ZnO)薄膜的方法很多， 而采用射频磁控溅射技术制备的薄膜不仅纯度高、 薄膜致密性好、 膜与基片附着力强， 而且制备工艺重复性好. 所以， 本文采用射频磁控溅射技术， 常温状态下在普通玻璃基底制备了高质量的Al∶ZnO薄膜， 并系统研究了溅射气压对Al∶ZnO薄膜结构、 形貌和光电性能的影响.

1 实验

1.1 Al∶ZnO薄膜的制备

实验选取含有质量分数为2% Al2O3的高密度氧化锌铝陶瓷靶作为实验靶材， 靶材与基体的距离为85mm， 实验中溅射气体氩气的纯度为99.99%. 溅射前， 玻璃衬底依次放入丙酮、 蒸馏水、 无水乙醇、 蒸馏水， 超声清洗10min， 去除衬底表面的污染物和杂质. 通过改变氩气的流量控制氩气压强分别为： 0.4Pa、 1.2Pa、 2.0Pa、 2.8Pa. 表1为样品制备的工艺参数.

1.2 样品性能表征

用Y-2000 型X 射线衍射仪分析薄膜的晶体结构和生长取向特性；采用P47 型原子力显微镜分析薄膜微观表面形貌；薄膜在波长为350～880nm范围内的透过率用UV2550型紫外-可见光分光光度计测量；利用ZEISS SUPRA 55型扫描电子显微镜测试薄膜厚度；HMS-2000型hall效应测量仪测量薄膜样品的电学性能.

2 实验结果和讨论

2.1 薄膜结构特性

图1是不同溅射气压条件下制备的Al掺杂ZnO薄膜的X射线衍射图. 图1显示， 在不同溅射气压制备的薄膜均在ZnO(002)晶面择优生长， 说明Al掺杂并没有改变ZnO薄膜的晶体结构. 表2列出了不同溅射气压下(002)晶面对应的衍射峰、半高宽及计算的晶粒尺寸结果. 样品的晶粒尺寸可由谢乐公式D=0.89λ/βcosθ计算 (式中λ=0.15406nm， β为半高宽， θ为衍射峰位) .

结合图1和表2可知， 随着溅射气压的增加， 衍射峰先升高后降低， 半高宽先减小后增大. 分析可得， 在溅射气压为1.2Pa时Al掺杂ZnO薄膜结晶质量最佳， 同时观察到衍射峰的位置随着溅射气压的增加向小角度移动， 说明薄膜内部产生了压应力. 根据布拉格公式可知， 薄膜的晶格常数增大， 表明由于Al的掺杂， 导致了ZnO晶体的晶格畸变.

2.2 薄膜表面形貌

图2为不同溅射气压下制备的Al掺杂ZnO薄膜的原子力显微镜三维图形. 溅射气压为0.4Pa时， 薄膜晶粒尺寸为19.10nm， 粗糙度为5.205nm， 晶粒分布较为均匀， 晶粒晶界表现明显；当溅射气压增加到1.2Pa时， 晶粒生长良好， 晶粒尺寸为19.42nm， 粗糙度为4.131nm， 薄膜表面均匀平整；溅射气压为2.0Pa时， 薄膜表面生长均匀， 薄膜平整， 但晶粒尺寸较小， 为17.53nm；当溅射气压增大到2.8Pa时， 薄膜表面平整度下降， 晶粒尺寸继续减小到15.13nm， 薄膜粗糙度增大为11.102nm. 分析表明， 随着溅射压强升高， 晶粒尺寸先增大后减小， 在溅射气压为1.2Pa 时制备的薄膜表面更加平整致密， 晶粒大小均匀， 薄膜结晶度最好. 这与XRD分析结果相符.

2.3 薄膜电学特性

表3是不同溅射气压条件下制备的薄膜表现的电学性质. 从表3可知， 制备的Al掺杂ZnO薄膜具有较好的导电性能， 而且随着溅射气压的增加薄膜的电阻率表现出先减小后增大的规律. 在溅射气压为1.2Pa时制备的薄膜的导电性能最佳， 电阻率有最小值9.501×10-4Ω·cm， 迁移率有最大值9.236 cm2·V-1·s-1.

随着溅射气压的升高， 溅射粒子与氩原子碰撞的几率增加， 使得溅射粒子到达基片上的能量太低而影响附着力、 薄膜致密度以及结晶度等， 最终导致电阻升高， 导电性能变差；同时， 在沉积薄膜的过程中， 过多的Ar离子容易一起进入薄膜层里， 这些都可以使薄膜中产生缺陷， 降低迁移率， 同样也会引起电阻变大[8-9]. 但是， 溅射气压太低， 与Ar原子碰撞的几率较低， 电子的平均自由程会增加， 就不能有效轰击靶材. 由XRD和FAM分析可知， 溅射气压为1.2Pa时晶粒尺寸大， 晶界少， 载流子散射中心少， 同时薄膜的粗糙度低， 表面积小， 吸附氧的位置少， 捕获电子能力弱[10]. 因此， 在本实验条件下， 氩气压强为1.2Pa时溅射最为适宜， 此时制备的薄膜载流子浓度高， 迁移率大， 电阻率低.

2.4 薄膜光学特性

图3是不同溅射气压下Al掺杂ZnO薄膜的透射光谱. 不同溅射气压条件下制备的薄膜在可见光范围内都有明显的干涉效应， 说明薄膜内杂质和缺陷对光吸收很小， 制备的膜厚均匀， 薄膜结晶质量较高. 溅射气压在0.4Pa、 1.2Pa、 2.0Pa、 2.8Pa时制备的薄膜在可见光范围内(400～800nm)， 平均透过率分别为86.48%、 88.63%、 85.72%、 88.06%. 薄膜在1.2Pa时平均透过率最高， 由XRD和FAM分析可知， 薄膜在1.2Pa时结晶质量最佳， 说明薄膜的透过率主要取决于薄膜的结晶质量.

3 结论

采用磁控溅射技术， 在不同溅射气压条件下， 在普通玻璃基底上， 常温状态下制备了良好的c轴择优取向的Al掺杂ZnO透明导电薄膜. 在溅射气压0.4～2.8Pa范围内， 随着溅射气压的增大， 衍射峰先升高后降低， 半高宽先减小后增大；晶粒尺寸先增大 , 后减小 ；薄膜的电阻率表现出先减小后增大的规律. 在本实验条件下， 溅射气压为1.2Pa时， 薄膜的结晶质量最佳， 导电性能最佳， 电阻率有最小值9.501×10-4Ω·cm， 迁移率有最大值9.236 cm2·V-1·s-1. 电阻率和透过率都达到了最佳值. 在可见光范围内样品的平均透过率都高于85%.

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[责任编辑 王保玉]

Effects of Magnetron Sputtering Pressure on the Photoelectric Properties of ZnO∶Al Films

GAO Song-hua, GAO Li-hua, XIAO Rong-hui

(School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering, Sanming University, Sanming 365004, China)

The Al doped ZnO transparent conductive films were prepared under the room temperature on glass substrate by RF magnetron sputtering technology. The crystal structure and surface microstructure were characterized by XRD and AFM, respectively. UV-vis spectrophotometer and hall effect measurement system were used to investigate the photoelectric properties of the film. The effects of different sputtering pressure on the structure, morphology and optical performance were discussed. The results show the prepared films possess good c axis preferred orientation and the average visible light transmittance of films are higher than 85% at the sputtering pressure of 1.2 Pa.

magnetron sputtering; Al doped ZnO Film; sputtering pressure; resistivity; transmittance

2016-11-17

福建省教育科研基金资助项目(JAT160462) ；福建省三明学院科研基金资助项目(B201611， B201110/Q)

高松华(1971—)， 男， 河南濮阳人， 博士， 副教授. 研究方向： 功能材料.

O484．4

A

1009-4970(2017)02-0033-04