磁控溅射低温制备高电导高透明氢掺杂薄膜

张敏 杜鹃

摘 要：通过分析直流磁控溅射技术低温制备高电导和高透明的氢掺杂AZO薄膜实验，明确了溅射技术对于低温制备AZO薄膜的重要作用。由此可以证明，引入适量氢气，有利于提升AZO薄膜的电阻率。

关键词：直流磁控溅射技术；低温制备；高电导；高透明；氢掺杂AZO薄膜

中图分类号：O484 文献标志码：A

通过实验对比发现，掺铝氧化锌比锡掺杂氧化铟含有的Zn储量更为丰富，且前者的成本也比较低，更是具有无毒的特点，处于氢等离子体与活性氢环境下，稳定性非常高。所以掺铝氧化锌这种透明导电薄膜材料具有非常好的发展前景。但要想制备具有良好光电性能的掺铝氧化锌薄膜，对于温度的要求比较高，从而在一定程度上对低温工艺的实际应用造成限制。为了解决这一问题，对氢掺杂AZO薄膜进行研究的过程中，始终将重点放在射频磁控溅射方法这一方面，对以直流磁控溅射制备氢掺杂AZO薄膜的关注反而较少。所以，该文重点围绕直流磁控溅射技术低温制备氢掺杂AZO薄膜展开论述。

1 实验流程

1.1 组织实验

该次实验主要采用AZO透明导电薄膜，实验的重点是应用直流磁控溅射技术，准备0.7 mm厚衬底的浮法玻璃，按照丙酮、酒精、去离子水的顺序超声清洗玻璃。正式开始实验期间，以含有2 %氧化铝的氧化锌陶瓷靶作为靶材。前腔室本底的真空度是2.0×10-3 Pa，溅射的气体为高纯氩气，将该气体的流量设置为标准状态，氢气流量在0 mL/mim～7.5 mL/mim变化。溅射功率是在100～250变化，溅射气压则是在0.5 Pa～0.7 Pa变化，衬底温度在100℃～200 ℃。

测试AZO薄膜方块电阻，主要是应用数字式探针测试仪，通过方块电阻与薄膜厚度对薄膜电阻率进行精准计算。透射谱测量则是采用UV-3100双光束分光光度计，薄膜厚度通过透射谱进行计算。

2 实验结果

通过实验最终明确了掺氢AZO薄膜性能的几个影响因素，具体如下。

2.1 衬底温度

实验过程中，对无氢掺杂AZO薄膜沉积参数进行了优化，得出衬底最佳温度是200 ℃。针对氢掺杂AZO薄膜，因为衬底温度会对薄膜内氢逸出产生影响，所以在此基础上也在实验中明确了衬底温度对于H掺杂AZO薄膜造成的影响。随后绘制各个衬底温度环境下，制备的AZO薄膜电阻率和透射谱，薄膜厚度是450 nm，氢气流量是0.7 mL/mim。由此可以确定，如果温度不断增长，那么电阻率会先降低再升高。如果衬底温度达到175 ℃，这时最低电阻率为1×10-3 Ω·cm。导致这一现象的原因是衬底温度提升之后，衬底表面溅射粒子的迁移也会有所增多，从而有效提升了薄膜结晶度与载流子迁移率，合理降低电阻率，如果是在200 ℃环境下，电阻率提升，那么原因极有可能是高衬底温度下氢逸出，导致氢掺杂量少。此外，如果掺氢量保持恒定，那么温度不断提升，透射率也不会出现明显的变化。

2.2 氢气流量

当氢气流量是0.7 mL/mim，这时处于优化环境之下的AZO薄膜电阻率会达到最低，但是这与其他氫气流量下的数值相比依然比较高。为了能够将氢掺杂AZO薄膜电阻率再一次降低，实验中采取了增加氢气流量的方法。分析各个温度下AZO薄膜电阻率受氢气流量影响情况，发现AZO薄膜的厚度在450 nm左右。分析可知，电阻率在氢气流量提升的影响下降低，当氢气流量是5.5 mL/mim时，电阻率最低，随后略微有所提升，高温、低温情况相似。连接氢气电阻率之后出现下降的现象，原因可能是氢被当作间隙原子，和AZO晶粒内氧共同构成了O-H键，发挥浅能级施主杂质这一优势，从而提高了载流子浓度。如果氢气流量比较高，这时电阻会增加，氢已经无法再掺加杂质，而是作为缺陷核心将载流子迁移率。

如果氢气流量是5.5 mL/mim，这时衬底温度会有所提升，电阻率随之降低，当衬底温度达到225 ℃之后，AZO薄膜电阻率的最低值是4.4×10-4 Ω·cm。这一结论和之前所述氢气流量0.7 mL/mim且衬底温度为175 ℃时的电阻率最低数值存在差异。分析其原因，极有可能是氢掺杂量超过规定要求时，基于225 ℃这种高温环境下氢逸出并没有对载流子浓度造成显著影响，相反衬底温度提高，对于薄膜结晶度的提升以及缺陷减少有一定优势，能够显著提升载流子迁移率。所以，在225 ℃温度下，电阻率最低。如果氢掺杂量比较低，这时衬底温度如果较高，那么氢逸出会使载流子浓度出现明显下降，衬底温度如果提高，将会导致载流子迁移率提升不能够有效弥补氢逸出，进而使载流子浓度降低，所以，当温度为175 ℃时，电阻率达到最低。

在各个氢气流量下，针对制备AZO薄膜X射线的衍射图谱进行分析，可以了解到AZO薄膜的衍射峰有且只有2个，即35 °衍射峰以及65 °衍射峰，前者衍射峰比较弱，后者衍射峰较强，证明掺氢AZO薄膜顺延65 °衍射峰生长。受氢气流量增多的影响，65 °衍射峰也会随之加强，证明薄膜结晶度不断提升。原因是氢能够刻蚀AZO薄膜内弱键，从而加速薄膜晶化。

对于氢气所具有的作用，通过表面形貌测试进行分析。通过分析无氢气、有氢气状态下的扫描电镜表面形貌图，了解到一旦通入氢气，这时薄膜的表面粗糙度便会增加。原因有2点，其一是沉积期间氢气对薄膜表面进行刻蚀，导致表面粗糙；其二，一旦通入氢气，薄膜结晶度会提升，这时会产生大晶粒，从而导致表面粗糙。AZO薄膜在薄膜太阳电池透明电极中应用，如果形成粗糙表面，对于陷光结构有一定优势，并且可以提升太阳电池工作效率。

当氢气流量是5.5 mL/mim且衬底温度在125 ℃～225 ℃，这时进行AZO薄膜透射谱制备，可以通过计算的方式了解AZO薄膜可见光区的平均透射率，最后得出的结论均超过85 %，透光性非常好。此外，实验可知氢气流量在5.5 mL/mim时，在该温度范围之内，所制备的AZO薄膜电阻率小于5.6×10-4 Ω·cm，所以可以确定的是其电阻率较低，最低可达到4.5×10-4 Ω·cm。由此可见，该次实验过程中，利用溅射这种方式掺加氢气，可以在125 ℃～255 ℃的低温范围内进行高电导和高透明的氢掺杂AZO薄膜制备，并且保证薄膜质量。

3 结论

使用直流磁控溅射技术低温制备高电导和高透明的氢掺杂AZO薄膜，通过实验证明可以利用掺加氢气的方式，降低AZO薄膜电阻率，如果衬底温度在125 ℃～225 ℃，那么可以制备出电阻率较低的AZO薄膜。

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