自由基輔助磁控濺射制備ZnO：Al透明導(dǎo)電薄膜的研究.pdf

1、太陽(yáng)能電池、平板顯示和觸摸屏等技術(shù)的出現(xiàn)與快速發(fā)展對(duì)透明導(dǎo)電氧化物薄膜材料提出了越來(lái)越多且越來(lái)越高的需求。ZnO∶Al(簡(jiǎn)稱AZO)透明導(dǎo)電薄膜因其優(yōu)異的光電學(xué)性能、豐富廉價(jià)的原材料來(lái)源以及環(huán)境友好等特點(diǎn)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注，被公認(rèn)為是取代In2O3∶Sn(簡(jiǎn)稱ITO)透明導(dǎo)電薄膜材料的最佳候選者。隨AZO薄膜在薄膜型太陽(yáng)能電池上的實(shí)用化以及金屬銦作為ITO薄膜原材料的供需缺口的日益增大，AZO薄膜逐漸步入工業(yè)化生產(chǎn)的階段。
　　

2、 本文使用AZO陶瓷靶、金屬鋅靶、鋁靶及鋅鋁合金靶等靶材在日本Shincron公司生產(chǎn)的RAS-1100C大型自由基輔助磁控濺射設(shè)備上濺射制備ZnO及AZO薄膜，研究薄膜的電學(xué)、光學(xué)、微結(jié)構(gòu)、應(yīng)力、禁帶寬度、折射率等物理性能隨濺射參數(shù)的變化；針對(duì)AZO陶瓷靶濺射過(guò)程中靶材前方固定襯底上濺射沉積的AZO薄膜中電阻率等多項(xiàng)物理性能出現(xiàn)空間分布不均勻的現(xiàn)象展開(kāi)了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)濺射過(guò)程中產(chǎn)生的高能氧負(fù)離子的轟擊注入效應(yīng)是使AZO薄膜物理性能

3、出現(xiàn)空間分布不均勻的根本原因；針對(duì)金屬靶濺射過(guò)程的復(fù)雜性研究了金屬鋅靶濺射制備鋅氧化物薄膜過(guò)程中薄膜的微結(jié)構(gòu)形貌及結(jié)晶性能隨濺射功率以及氧化區(qū)氧氣流速的變化，并對(duì)比研究了濺射區(qū)內(nèi)的高能氧負(fù)離子轟擊造成的反濺射現(xiàn)象；同時(shí)本文還結(jié)合薄膜在空氣及氫氣氣氛下的退火實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)薄膜中各種缺陷的狀態(tài)展開(kāi)了討論，力圖揭示薄膜中各種缺陷的狀態(tài)對(duì)薄膜性能的影響，從而為濺射制備性能更加優(yōu)良的AZO薄膜打下基礎(chǔ)。
　　 通過(guò)對(duì)比性實(shí)驗(yàn)研究，本文主要得到

4、了以下結(jié)論和成果：
　　 1、通過(guò)對(duì)AZO陶瓷靶濺射參數(shù)的優(yōu)化在RAS圓鼓上沉積得到電阻率達(dá)2.4×10-3Ω·cm，載流子濃度為2.49×1020 cm-3，遷移率為10.5cm2V-1s-1，550nm波長(zhǎng)處的透過(guò)率為85％的AZO薄膜樣品；
　　 2、觀察到靶前不同區(qū)域處固定襯底上沉積的AZO薄膜的電阻率、載流子濃度、遷移率等多項(xiàng)物理性能出現(xiàn)明顯的空間分布現(xiàn)象；靶材濺射溝道正前方沉積的AZO薄膜電阻率最高達(dá)2.2×

5、10-2Ω·cm，而兩塊靶材中間非濺射區(qū)域前方沉積的AZO薄膜的電阻率則可低至4.9×10-4Ω·cm，兩者相差達(dá)45倍左右。
　　 3、通過(guò)XPS、XRD等表征發(fā)現(xiàn)高能氧負(fù)離子轟擊注入效應(yīng)是靶前電阻率空間分布不均勻的根源。氧負(fù)離子源于濺射過(guò)程中晶格氧以負(fù)離子的形式析出，在靶材負(fù)電壓電場(chǎng)加速下獲得很高的能量轟擊到襯底上面，造成薄膜中的晶粒損傷，抑制薄膜沿(0002)方向上的高度取向生長(zhǎng)，并且在薄膜中引入大量氧填隙缺陷。大量的氧填

6、隙缺陷俘獲薄膜中的自由電子載流子，并造成晶格畸變，增加薄膜中的中性雜質(zhì)散射，從而引起薄膜載流子濃度及遷移率降低、電阻率升高。
　　 4、RAS圓鼓上沉積的薄膜的性能是各區(qū)域沉積薄膜性能的平均結(jié)果。濺射參數(shù)主要通過(guò)影響氧負(fù)離子轟擊注入效應(yīng)的強(qiáng)弱以及薄膜的結(jié)晶狀況好壞而影響在圓鼓上制備的AZO薄膜的性能。
　　 5、通過(guò)對(duì)RAS金屬鋅靶濺射制備鋅氧化物薄膜過(guò)程中的正向及反向沉積薄膜的研究觀察了鋅氧化物薄膜形貌及結(jié)晶狀態(tài)隨氧化

7、程度的演化，得到了薄膜微結(jié)構(gòu)隨濺射功率及氧化區(qū)氧氣流速分布的相圖，分析了RAS金屬靶的典型濺射過(guò)程中濺射區(qū)內(nèi)發(fā)生的物理過(guò)程，為濺射制備結(jié)晶性能優(yōu)良的AZO透明導(dǎo)電薄膜提供了物理依據(jù)。
　　 6、對(duì)比研究了各種金屬靶濺射過(guò)程中濺射區(qū)內(nèi)生成的氧負(fù)離子造成的反濺射效應(yīng)。研究表明反濺射效應(yīng)不完全等同于高能氧負(fù)離子轟擊效應(yīng)，還受到濺射區(qū)沉積薄膜薄層氧化程度的影響。反濺射效應(yīng)降低了靶材的利用率并影響薄膜中的鋁含量，應(yīng)該盡量予以避免。

8、　　 7、通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了ZnO及AZO薄膜在空氣和氫氣中的退火效應(yīng)并分析了氧填隙缺陷行為對(duì)薄膜性能的影響，進(jìn)一步闡明了氧負(fù)離子轟擊注入效應(yīng)影響薄膜物理性能的機(jī)制。另外還通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析、討論了RAS金屬鋅、鋁靶共濺射制備AZO薄膜性能受限的原因。
　　 8、通過(guò)氫氣500℃退火獲得電阻率為4.5×10-4Ω·cm、載流子濃度為5.15×1020cm-3、遷移率為24.6 cm2V-1s-1、550 nm波長(zhǎng)處透射率為89％