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)定相的晶體結構為六角纖鋅礦結構，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，生長壓強等參數對薄膜結晶質量、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，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薄膜結晶質量已經相當理想，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)都表現出了較高的透射率(大于85％)，而在紫外區(qū)域(300～400 nm)則出現了尖銳的吸收邊。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原子已經有效地固溶到了NZO薄膜中，形成多電子施主Nb<,Zn