PLD法制備Nb摻雜ZnO基透明導電薄膜及其性能研究.pdf

1、ZnO是一種直接帶隙寬禁帶Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料，其室溫常壓穩(wěn)定相的晶體結(jié)構(gòu)為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，室溫下禁帶寬度約為3.37 eV，激子束縛能高達60 meV。作為一種本征n型的半導體材料，ZnO通過施主摻雜(如Al、Ga、Zr等)，便可以獲得較高的電子濃度，而在可見光區(qū)域仍能保持較高的透射率。而且相比較ITO等其它TCO材料，ZnO主要有以下幾點優(yōu)勢：來源豐富，價格低廉，無毒對環(huán)境友好，熱穩(wěn)定性好，易于生長加工。近年來，大屏幕、高清晰度

2、液晶顯示器普及迅速，其需求不斷增加，而世界性的能源缺乏和自然環(huán)境保護的需要也展現(xiàn)了太陽能電池的良好發(fā)展前景，這就為ZnO基TCO薄膜提供了機遇和發(fā)展空間。 本文利用脈沖激光沉積(PLD)系統(tǒng)，采用不同含量的高純Nb<,2>O<,5>-ZnO陶瓷靶材，在玻璃、石英等襯底上生長了Nb摻雜ZnO基(NZO)透明導電(TCO)薄膜。通過對襯底溫度，生長壓強等參數(shù)對薄膜結(jié)晶質(zhì)量、表面形貌和光電性能的對比研究，找到了適合NZO薄膜生長的工藝

3、參數(shù)，并對其進行了優(yōu)化。制備的Nb摻雜ZnO基透明導電薄膜性能優(yōu)異，并具有很好的可重復性。 在100℃到500℃這個溫度區(qū)間內(nèi)生長的NZO薄膜均具有明顯的c軸擇優(yōu)生長取向，而且薄膜的結(jié)晶性能隨著襯底溫度的升高而顯著升高。300℃以上生長的NZO薄膜結(jié)晶質(zhì)量已經(jīng)相當理想，不僅表面十分平整，粗糙度較小，而且沒有觀察到明顯的晶界。NZO薄膜的體電阻率隨著襯底溫度的升高，呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。在低溫生長區(qū)域(100～350℃)，隨著

4、襯底溫度的升高，Hall遷移率顯著增加，而載流子濃度則基本沒有變化，因而薄膜電阻率隨著溫度的升高而顯著降低。在高溫生長區(qū)域(350～500℃)，隨著襯底溫度的升高，載流子濃度迅速下降，因而薄膜電阻率出現(xiàn)上升趨勢。不同溫度下生長的NZO薄膜在可見光區(qū)域(400～700 nm)都表現(xiàn)出了較高的透射率(大于85％)，而在紫外區(qū)域(300～400 nm)則出現(xiàn)了尖銳的吸收邊。此外，NZO薄膜在可見光區(qū)域的透射率隨著襯底溫度的升高略有增加，而紫外

5、吸～收邊則隨著襯底溫度的升高呈現(xiàn)紅移趨勢。生長壓強對NZO薄膜性能的影響較襯底溫度要小很多，總體而言，在氧壓為0.1 Pa下生長的NZO薄膜具有最佳的光電性能。 NZO薄膜的電阻率隨著Nb含量的增加，有一個先減小后增大的變化趨勢；而載流子濃度的變化則恰恰相反；HALL遷移率隨著Nb摻入量的增加，各種散射幾率增大，因而呈現(xiàn)下降趨勢。NZO薄膜的光學性能與Nb的摻入量密切相關。當Nb摻入量不是很大時，NZO薄膜在可見光區(qū)域的透射率較

6、高，但當Nb的含量超過2 at％時，透射率明顯降低。NZO薄膜的光學禁帶寬度隨著薄膜載流子濃度的增大而呈現(xiàn)出明顯的藍移趨勢。 優(yōu)化條件下生長的NZO薄膜具有優(yōu)異的光電性能：可見光區(qū)域平均透射率超過85％，薄膜的體電阻率低于6×10<'-4> Ωcm，HALL遷移率高于20 cm<'2>/Vs，載流子濃度達到5×10<'20>cm<'-3>左右。通過XPS測試表明，Nb原子已經(jīng)有效地固溶到了NZO薄膜中，形成多電子施主Nb<,Zn