用鋁絲摻雜濺射ZnO薄膜的光電性能分析

用鋁絲摻雜濺射ZnO薄膜的光電性能分析本文采用射頻磁控反應(yīng)濺射法于常溫下在硅片和玻璃基片上制備ZnO和摻鋁ZnO薄膜，將鋁絲置于ZnO靶材上共同濺射來到達(dá)摻雜的效果，利用不同長度的鋁絲以獲得不同的摻雜量。通過X射線衍射法對薄膜開展構(gòu)造分析，利用紫外-可見分光光度計(jì)獲得薄膜的透過率光譜，霍爾效應(yīng)儀測量薄膜的電學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)所制備的樣品在可見光區(qū)域透過率到達(dá)80%以上，到達(dá)了透明膜的要求；摻Al后的ZnO膜電阻率最低到達(dá)了4.25×10-4Ω·cm；構(gòu)造表征發(fā)現(xiàn)樣品的(002)晶面有明顯衍射峰?；诎j(luò)線方法通過透射譜擬合計(jì)算了薄膜樣品的折射率和厚度。

透明導(dǎo)電薄膜，是一類比較有特點(diǎn)的功能薄膜。隨著研究的推進(jìn)，氧化鋅(ZnO)薄膜以它的優(yōu)良性能和低成本逐漸取代了ITO在透明導(dǎo)電薄膜領(lǐng)域的地位。ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶的半導(dǎo)體材料，由于它介電常數(shù)小、電子漂移飽和、禁帶寬度較大等特質(zhì)，在表面聲學(xué)波器件、平板顯示器、太陽能電池、建筑玻璃、電磁屏蔽、光電器件等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。ZnO薄膜的研究如此熱門是由于它具有可見光區(qū)域透射率高和電導(dǎo)率高的特點(diǎn)。在GaN之后，ZnO材料成為了短波半導(dǎo)體材料的研究重點(diǎn)，原因是由于它生長溫度低、易于實(shí)施摻雜、化學(xué)穩(wěn)定性更佳。根據(jù)晶體學(xué)模型可知，ZnO為六方釬鋅礦構(gòu)造，摻雜的Al原子將ZnO構(gòu)造中的Zn原子替換，成為替位摻雜元素，因此Al摻雜氧化鋅(AZO)具有與ZnO相同的晶體構(gòu)造，而金屬元素的摻雜對ZnO的構(gòu)造和光電性能將起到一定的影響。制備ZnO薄膜的方法有：脈沖激光沉積法、濺射法、化學(xué)氣相沉積法、噴霧熱分解法等。

本文采用射頻磁控濺射法制備了ZnO薄膜，并且通過將鋁絲置于ZnO靶材表面來共同濺射制備了AZO薄膜，分析了它們的構(gòu)造和光電特性。實(shí)驗(yàn)采用將鋁絲置于ZnO陶瓷靶表面共同濺射的方法，可以方便快捷地控制鋁的摻雜量，不僅大大降低了靶材的制作成本；更重要的是防止了直接用AZO陶瓷濺射靶的局限性，使得實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)更加靈活。本文還可以為向ZnO薄膜中摻入其它元素，以改變其性能方面的研究工作提供非常有意義的借鑒和參考。1、實(shí)驗(yàn)

樣品制備采用的是FJL560CI2型高真空射頻磁控濺射系統(tǒng)裝置，利用射頻磁控濺射方法在玻璃和Si片基底上制備了氧化鋅薄膜和不同摻鋁量的氧化鋅薄膜。濺射采用純度為99.99%的ZnO陶瓷靶，在制備AZO時將純度為99.99%的Al絲置于ZnO靶面上共同濺射，改變Al絲的長度來調(diào)節(jié)摻雜量的大小，工作氣體為氬氣，反應(yīng)氣體為氧氣?；撞捎肧i片和K9雙面拋光玻璃；基片放入真空室之前，用酒精對基片開展簡單清洗，除去表面雜質(zhì)和灰塵后再放入丙酮溶液中超聲波清洗15min，可以增強(qiáng)薄膜與基片的結(jié)合能力。濺射前系統(tǒng)本底真空度到達(dá)10-4Pa，濺射時系統(tǒng)壓強(qiáng)為1.0Pa；氧氣與氬氣分壓比為1∶3，濺射功率100W，負(fù)偏壓80V，濺射時間20min。利用D/MAX-2500型X射線衍射儀對樣品開展構(gòu)造表征，在25°~60°范圍間掃描；薄膜中各元素比例通過X射線能量色譜儀分析得到；薄膜的透光率利用島晶/UV3600紫外-可見分光光度計(jì)(UV/VIS)測試獲得，選取波長范圍在200~1000nm；樣品電阻率，以及載流子濃度等電學(xué)性能采用霍爾效應(yīng)儀器(HMS-2000)測量。2、結(jié)果與討論

2.1、摻Al對ZnO薄膜晶體構(gòu)造的影響

X射線能量色散譜(EDS)測試說明，兩種不同摻雜濃度樣品**原子百分比分別為2.28at%和3.61at%；圖1為ZnO薄膜與鋁摻雜量分別為2.28at%和3.61at%的AZO薄膜X射線衍射圖，從圖中我們可以看到三個樣品都沿垂直于c軸的(002)晶面擇優(yōu)生長，與ZnO(002)晶面表面能密度最低相吻合[10]，由AZO薄膜構(gòu)造特征譜線與ZnO薄膜構(gòu)造特征譜線相同可知Al3+摻入對ZnO薄膜構(gòu)造沒有引起改變。隨摻雜量的增加，衍射峰略微向小角度方向移動，且衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)；可能是由于Al原子與Zn原子的原子半徑不同，引起薄膜中的張應(yīng)力變化導(dǎo)致的；由EDS分析可以看到樣品**含量較低，殘余應(yīng)力沒有引起薄膜晶格的畸變；且可以看到在摻雜濃度為3.61at%的樣品中出現(xiàn)了Al2O3的衍射峰。

圖1無摻雜及鋁摻雜濃度2.28at%，3.61at%的ZnO薄膜的X射線衍射圖譜

2.2、摻Al對ZnO薄膜電學(xué)性能的影響

表1為霍爾效應(yīng)儀測得的ZnO薄膜以及不同摻Al量的AZO薄膜的載流子濃度和電阻率，從表中可以清晰的看到，ZnO薄膜開展Al元素的摻雜后對其電學(xué)性能影響很大。其中摻雜濃度為2.28at%的樣品電阻率低至4.25×10-4Ω·cm，導(dǎo)電性能良好；AZO薄膜導(dǎo)電性能的增強(qiáng)主要是由于Al3+對Zn2+的替位產(chǎn)生多余的電子導(dǎo)致載流子濃度的升高引起的；其次，薄膜晶體中氧空位對其導(dǎo)電性能影響也很明顯。高價陽離子替位是提高本征透明導(dǎo)電薄膜電學(xué)性能的有效途徑，但是當(dāng)?shù)竭_(dá)一定臨界值后，繼續(xù)提高摻雜量，電子濃度就會飽和，從而使得外來金屬與氧生成無法導(dǎo)電的第二相，使得電子遷移率下降；其次，過量的摻雜也會引起薄膜中的晶格畸變，出現(xiàn)的陷阱態(tài)能級密度增大，電子復(fù)合增多而導(dǎo)致電阻率增大。從上文EDS分析中可以看到摻雜量的不同使得樣品中含鋁量變化，摻雜濃度為2.28at%的樣品比3.61at%的樣品載流子濃度更高，電阻率更低；且從XRD圖譜中我們可以看到24cm鋁絲摻雜的樣品中出現(xiàn)了明顯的Al2O3衍射峰，說明摻雜到達(dá)了飽和，而形成了不導(dǎo)電的Al2O3，導(dǎo)致電子遷移率的下降，從而使得薄膜電阻率變大。

表1無摻雜及鋁摻雜濃度2.28at%，3.61at%的ZnO薄膜載流子濃度及電阻率

2.3、摻Al對ZnO薄膜透過率的影響

圖2為ZnO薄膜與不同濃度摻鋁量的ZnO薄膜在可見光波段內(nèi)的透射譜圖，由圖中可以看到所制備的樣品在可見光區(qū)域平均透射率到達(dá)了80%以上，到達(dá)了透明膜的要求。在入射波長到370nm附近時形成了吸收邊，透射率快速下降到了5%以下。從圖中我們可以看到摻Al的薄膜譜線出現(xiàn)了藍(lán)移現(xiàn)象，說明摻Al使ZnO晶體由非簡并半導(dǎo)體變?yōu)楹啿雽?dǎo)體，光學(xué)帶隙變寬。而且摻雜濃度為2.28at%的樣品比摻雜濃度為3.61at%的樣品藍(lán)移明顯，出現(xiàn)此情況可能由于摻雜濃度為3.61at%的樣品比摻雜濃度為2.28at%的樣品結(jié)晶更好，晶界缺陷密度相對更小，從而對光能量的散射也小引起的；其次，藍(lán)移現(xiàn)象的強(qiáng)弱也可能是由于載流子濃度的不同，以及薄膜厚度和折射率的不同而引起。

圖2無摻雜及鋁摻雜濃度2.28at%，3.61at%的ZnO薄膜在可見光波段透射圖譜

2.4、薄膜的光學(xué)常數(shù)

在透射曲線的根底上，我們利用包絡(luò)線法計(jì)算出薄膜的折射率和厚度，結(jié)果見表2。通過臺階測試儀我們得到ZnO薄膜和2.28at%、3.61at%鋁摻雜濃度的薄膜厚度分別為273nm、280nm、288nm，與所計(jì)算得到的數(shù)據(jù)(如下表2)為280nm、286nm、295nm相吻合；在可見光波段內(nèi)折射率平均值分別為1.94、1.83、1.90。

表2無摻雜及鋁摻雜濃度2.28at%，3.61at%樣品厚度及不同波長對應(yīng)的折射率3、結(jié)論

本文通過將Al絲置于靶面上的獨(dú)特方法制備得到不同Al摻雜量的樣品，通過測試結(jié)果，分析和討論了不同Al摻雜量對ZnO薄膜構(gòu)造和光電性能的影響。由于所摻的Al含量比較小，摻雜