zao薄膜的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、ZAO薄膜的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2010年01月16日星期六17:331引言在人類社會的科學實驗活動中，功能材料總是起著重要的作用，尤其是第二次世界大戰(zhàn)以后，材料科學的發(fā)展達到了一個高潮，伴隨著半導體、計算機、太陽能等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關的一種功能材料——透明導電氧化物薄膜隨之產(chǎn)生、發(fā)展起來。這種屬于半導體光電子材料的薄膜表現(xiàn)出異于一般材料的特異性能(透射、導電)，在壓電換能器、光電顯示器、太陽能電池、氣敏傳感器及光波導等方面具有廣闊的應用前

2、景，能滿足人類在信息時代特定條件下和不同目的的特殊需求。目前市場上，使用的是透明導電氧化物薄膜In2：sn(f1D)，其技術(shù)是成熟的，但由于In、sn等材料有自然儲量少、制備工藝復雜、成本高、有毒、穩(wěn)定性差等缺點，從而限制了在實踐中的廣泛使用，因此，急需一種替代產(chǎn)品問世，以滿足人們的需要。ZnO：A1(ZAO)薄膜是迄今為止最佳的ITO膜替代品。二者相比而言，zAO薄膜不僅具有與ITO可比擬的電學和光學特性，而且有儲量豐富、易于制造、成

3、本較低、無毒、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因而，從2O世紀7O年代末開始，人們對ZnO薄膜及摻雜體系的研究趣日益濃厚，近年來更成為研究透明導電氧化物薄膜的熱點，而ZAO薄膜是ZnO摻雜體系中最具代表性的。2ZAO薄膜的性質(zhì)透明導電氧化物薄膜有Io3、SnO2、和ZnO三大體系，其性能對比見表1。ZAO薄膜是ZnO體系中摻雜元素A1而得來的。ZnO薄膜具有C軸擇優(yōu)生長的眾多晶粒，每個晶粒都是呈生長良好的六角形鉛鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO晶體是氧的六角密堆積和

4、鋅的六角密堆積反向嵌套而成的。這種結(jié)構(gòu)的薄膜具有透明導電性，但電阻值高于l0nQTI。ZnO晶體中每一個鋅原子都位于四個相鄰的氧原子所形成的四面體間隙中，但只占據(jù)其中半數(shù)的氧四面體間隙，氧原子的排列情況與鋅原子相同。單位晶格中含有2個分子體積為0047651tun3。因而這種結(jié)構(gòu)比較開放，半徑較小的組成原子容易變成間隙原子，Al的離子半徑為0039m，比鋅的離子半徑(0060nm)4~，A1原子容易成為替位原子而占據(jù)zn原子的位置，也容

5、易成為間隙原子而存在。在ZnO中摻雜之后，可以形成ZAO薄膜，導電性能大幅度提高，電阻率可降低到10ncrn。摻雜后，不僅可以降低電阻率，而且能提高薄膜的穩(wěn)定性。Minarni等_1J制備的ZAO薄膜，可見光透射率達90％，電阻率已降至l0I4nClTI。這種性能完全可以與ITO薄膜相媲美。3ZAO薄膜的應用前景看一種產(chǎn)品的應用前景如何，主要從三個方面分析：一是原材料是否豐富，價格是否低廉；二是生產(chǎn)制造是否容易，在生產(chǎn)過程中有無環(huán)境污染

6、；三是產(chǎn)品性能是否合乎要求，特別是穩(wěn)定性要好。根據(jù)這三方面的要求，可將目前廣泛應用的透明導電膜ITO膜，與ZAO薄膜作以對比分析，從中展現(xiàn)出的ZAO薄ZAO薄膜的制備技術(shù)發(fā)展很快，所有用于制備半導體材料的手段均可用于制備ZAO薄膜，其中磁控濺射技術(shù)是20世紀7O年代開始應用于實踐的，特點是薄膜在低溫下沉積能獲得優(yōu)良的光學和電學性能。另外，還具有沉積速率高、基片溫度低、成膜黏附性好、易控制、成體低、能實現(xiàn)太面積制膜的優(yōu)點，因而成為當今工業(yè)

7、化生產(chǎn)中研究最多、最成熟、應用最廣的一項成膜技術(shù)，也是ZAO薄膜制備技術(shù)的研究熱點。Wen&和Ellmer等[81o3研究了ZAO薄膜磁控濺射制備過程中熱能的變化情況，并討論了不同能量的離子對成膜質(zhì)量的影響。同時，還分別對在si、玻璃等基片上制備的ZAO薄膜的工藝參數(shù)(氧分壓、氬分壓、濺射電壓)進行了分析，認為氧分壓的工藝窗口較窄，是制備過程中較難控制的參數(shù)，對薄膜的光、電性能影響較大。Jin[11J及其合作者利用反應磁控濺射技術(shù)制備出

8、了ZAO薄膜，分析了在不同沉積條件對薄膜性能的作用，用N型半導體有效質(zhì)量模型計算并解釋了薄膜的禁帶寬度值，得到直流電阻率在510n饑l時的紅外反射率達85％的優(yōu)質(zhì)樣品。Minami等_1J研究了ZAO薄膜的射頻磁控濺射技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在基片垂直方向上的薄膜電阻率要低于基片平行方向。同時，也發(fā)現(xiàn)薄膜結(jié)晶性能同靶與基片的放置狀況有密切的依賴關系。另外還與Takata【13合作對ZAO薄膜的穩(wěn)定性進行了實驗。在真空室中溫度為400℃時，制備的ZAO

9、薄膜經(jīng)退火處理后，電阻率明顯下降，把此樣品在室溫下放置1年性能無明顯變化，證明ZAO薄膜的穩(wěn)定性能良好。不同的制備技術(shù)對應于不同的應用目的，而ZAO薄膜的制備方法多種多樣，其中化學氣相沉積、熱辣、溶膠一凝膠等方法被廣為利用。已有報道表明_1：利用化學氣相沉積技術(shù)可以制備得到電阻率為3010I4ncrn、載流子濃度為801020cm‘、霍爾遷移率達350ocm2vS和透射率超過85％的ZAO薄膜，并詳細探討不同工藝條件對薄膜的光、電特性的

10、影響。另外，熱噴涂法和溶膠一凝膠法也被廣泛地應用于制備ZAO薄膜，它具有成本低、容易控制、易于大面積成膜等特點。采用這兩種方法可以制備出電阻率達10nc【n、透射率達90％的zAO薄膜10ll1，已能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求。國內(nèi)開展透明導電氧化物薄膜的研究工作始于2O世紀8O年代末期，以ITO膜為主，年需ITO膜透導電玻璃超過200萬m‘，主要用于平板顯示(FPD)、熱鏡及汽車等的防霧除霜裝置。對ZAO薄膜的研究是20世紀90年代中期開始

11、的，中國科學院金屬研究所的聞立時等lt7Asl的研究工作開展得比較早，他們側(cè)重于ZAO膜的組織結(jié)構(gòu)對性能的影響、制備過程中的工作壓力、氧分壓、濺射功率、臺金靶中AJ的摻雜含量等參數(shù)與薄膜性能的關系探討。河北工業(yè)大學范志新it9]除研究了ZAO膜的結(jié)構(gòu)、光電特性外，還對磁控濺射、脈沖激光沉積、溶膠一凝膠等工藝進行了研究。復旦大學章壯健等[20J研究了混臺物靶的制備及對ZAO膜光電特性的測量原理。蘇州大學的葛水兵等[2122J使用脈沖激光沉

12、積技術(shù)，對制備試樣進行了霍爾系數(shù)測量及SEM、XRD測試分析，詳細探討了基片溫度、氧分壓等參數(shù)對膜的透光率和電阻率的影響。制備出的薄膜電阻率達9010I4ncm、載流子濃度為5810z0nc【n、透射率為90％；山東大學陳源L23]等采用射頻磁控濺射法在3種不同的有機材料村底上鍍制出附著性好、電阻率低、透射率高的zAO薄膜，并研究了結(jié)構(gòu)、電學和光學特性。從國內(nèi)外的研究情況來看，國內(nèi)的zAO膜還沒有達到國外同類產(chǎn)品的水平，仍有待于深入研究

13、。5ZAO薄膜研究工作的發(fā)展趨勢和方向目前，ZAO薄膜還不能像ITO薄膜一樣具有市場價值，其原因在于對ZAO薄膜的研究還有不少缺欠，如制備工藝難以控制，導致產(chǎn)品性能穩(wěn)定性不好，重復性不理想等，但這些問題是能夠在今后的研究過程中逐步加以解決的。(1)應提高可見光區(qū)透射率，降低直流電阻率，同時提高大面積制備薄膜性能的均勻性、穩(wěn)定性及可重復性。(2)制備技術(shù)要以磁控濺射制備方法為主。在磁控濺射技術(shù)中，由于直流磁控反應濺射與射頻濺射相比，具有電