靶基距、濺射角及退火對(duì)AZO薄膜光電性能影響.pdf

1、AZO薄膜具有禁帶寬、可見(jiàn)光譜區(qū)光透射率高和電阻率低等光電特性，在眾多領(lǐng)域擁有良好的現(xiàn)實(shí)及潛在應(yīng)用前景。且存在豐富的原材料，一旦大規(guī)模應(yīng)用，可不用擔(dān)心資源枯竭及價(jià)格高昂等問(wèn)題。本文通過(guò)固相反應(yīng)法制得實(shí)驗(yàn)所用AZO陶瓷靶材，通過(guò)對(duì)AZO粉末的TG-DSC測(cè)試分析來(lái)制定燒結(jié)曲線，并計(jì)算所制得靶材收縮率。通過(guò)射頻磁控濺射法制備AZO薄膜，通過(guò)EDS測(cè)試研究其與AZO粉末成分，并進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)XRD、HALL、UV等表征手段研究了不同靶基距

2、及濺射角所制備AZO薄膜的相結(jié)構(gòu)及光電特性，并找出最優(yōu)靶基距參數(shù)及最優(yōu)濺射角參數(shù)。同時(shí)，通過(guò)XRD、HALL、UV等表征手段探討了薄膜相結(jié)構(gòu)及光電特性與退火溫度及退火時(shí)間的關(guān)系，并找出最優(yōu)退火溫度及最優(yōu)退火時(shí)間。得到以下主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果:(1)通過(guò)對(duì)AZO粉末的TG-DSC測(cè)試分析，設(shè)定燒結(jié)曲線。最關(guān)鍵是在1250℃、1300℃及1450℃處保溫。在1250℃處保溫4小時(shí)是為了使晶粒組織間溶解充分，增強(qiáng)靶材強(qiáng)度。在1300℃處保溫1小時(shí)是為

3、了使晶界上的物質(zhì)不斷擴(kuò)散到空隙處。在1450℃處保溫3.5小時(shí)，是為了促使晶體重結(jié)晶及使靶材中殘留膠水分解排出，提高靶材致密度。制得靶材收縮率為8.25％。(2)通過(guò)對(duì)AZO薄膜的EDS測(cè)試分析，Al原子和Zn原子比雖與所設(shè)計(jì)化學(xué)計(jì)量比略有偏差，但偏差不大，Al原子基本按照所設(shè)計(jì)化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行了摻雜。通過(guò)與AZO粉末的EDS測(cè)試分析對(duì)比，可知靶材燒結(jié)大大促進(jìn)Al2O3和ZnO粉末的均勻混合。(3)通過(guò)對(duì)不同靶基距所制備AZO薄膜的性能分

4、析，得出所用鍍膜儀器濺射薄膜最優(yōu)靶基距應(yīng)為13cm（儀器可調(diào)最小靶基距），所制得AZO薄膜品質(zhì)因子最大，且薄膜沉積速率最大。其中，隨著靶基距逐漸增大，薄膜晶粒尺寸逐漸減小，張應(yīng)力逐漸增大，結(jié)晶質(zhì)量逐漸變差，濺射速率逐漸減小。上述現(xiàn)象是因?yàn)闉R射原子與Ar+多次碰撞，導(dǎo)致濺射原子到達(dá)基底時(shí)能量小甚至無(wú)法到達(dá)基底，即使到達(dá)基底，也由于濺射原子遷移擴(kuò)散能力弱，影響薄膜沉積速率與成膜質(zhì)量。隨著靶基距逐漸增大，薄膜電阻率逐漸增大，所制備AZO薄膜在

5、靶基距為13cm時(shí)電阻率最低，為1.13×10-2Ω·m，這是由載流子濃度及遷移率共同決定的。此時(shí)，載流子濃度最大，但遷移率不是最大值，遷移率最大值在靶基距為16cm時(shí)取得，這是由離化雜質(zhì)原子散射及晶界散射共同決定的。薄膜的平均光透過(guò)率總體逐漸增大，但靶基距為13cm時(shí)，所制備薄膜結(jié)晶質(zhì)量好，晶界散射弱，使得其平均光透過(guò)率反而大于靶基距為14cm時(shí)所制備薄膜的平均光透過(guò)率，此外，所制得薄膜平均光透過(guò)率都在92％以上。所制得薄膜禁帶寬度E

6、g變化范圍為3.48eV-3.60eV，且隨靶基距的增大而增大，這種反常現(xiàn)象是由于量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致的。(4)通過(guò)對(duì)不同濺射角所制備AZO薄膜的性能分析，得出所用鍍膜儀器濺射薄膜最優(yōu)濺射角應(yīng)為50°，所制得AZO薄膜品質(zhì)因子最大，且薄膜沉積速率相對(duì)較大。其中，隨著濺射角逐漸增大，薄膜晶粒尺寸逐漸增大，張應(yīng)力逐漸減小，結(jié)晶質(zhì)量逐漸變好。薄膜沉積速率在濺射角為40°時(shí)，因靶材對(duì)基底的濺射投影面最大，取得最大值。隨著濺射角逐漸增大，所制得薄膜電

7、阻率逐漸減小，濺射角為50°時(shí)薄膜載流子及遷移率共同作用使得所制得AZO薄膜電阻率最低，為2.0×10-2Ω·m。薄膜平均光透過(guò)率總體逐漸減小，薄膜平均光透過(guò)率在濺射角為40°時(shí)，其沉積速率最快使得所制得薄膜最厚，因而所制得薄膜平均光透過(guò)率達(dá)到最低值。而濺射角為50°時(shí)，因靶材對(duì)基底的濺射投影面相對(duì)濺射角為40°時(shí)要小一些，因而薄膜光透過(guò)率相對(duì)要略高一些。此外，所制得薄膜的平均光透過(guò)率都在92％以上。所制得薄膜禁帶寬度Eg變化范圍為3.

8、56eV-3.61eV，且與載流子濃度變化規(guī)律相一致，這與Burstein-Moss效應(yīng)相符。(5)通過(guò)對(duì)未退火及經(jīng)不同退火溫度退火的AZO薄膜樣品的性能分析，得出最優(yōu)退火溫度應(yīng)為400℃，所得AZO薄膜品質(zhì)因子最大。其中，隨著退火溫度升高，薄膜晶粒尺寸逐漸增大，張應(yīng)力逐漸減小，結(jié)晶質(zhì)量逐漸變好。隨著退火溫度升高，薄膜電阻率逐漸減?。p小一個(gè)數(shù)量級(jí)），由σ=1/ρ=nμe可知，這是由于載流子濃度及遷移率逐漸增大造成的，而載流子濃度增大是

9、由于氧空位數(shù)量隨退火溫度的升高而增大，遷移率增大是由于晶粒長(zhǎng)大造成的，所制得AZO薄膜最低電阻率為1.39×10-3Ω·m。薄膜的平均光透過(guò)率退火后總體得到提升，原因是退火使得薄膜紫外吸收邊藍(lán)移，以及薄膜晶粒長(zhǎng)大造成晶界散射減弱。而薄膜的平均光透過(guò)率增加幅度隨退火溫度升高而逐漸減小，應(yīng)是隨著退火溫度的升高，O空位增多，形成陷光結(jié)構(gòu)，造成缺陷散射，且退火溫度為450℃時(shí)，薄膜平均光透過(guò)率相比薄膜未退火前反而減小，除氧缺陷增多的原因外，可能

10、還存在晶粒異常長(zhǎng)大現(xiàn)象，造成晶粒大小不均勻，從而使得薄膜光散射率增大，光透過(guò)率減小，但薄膜平均光透過(guò)率仍在89％以上。薄膜禁帶寬度Eg變化范圍為3.54eV-3.77eV，且總體隨退火溫度的增大而增大，這是載流子濃度隨退火溫度的增大而增大造成的。而退火溫度為450℃時(shí)，退火所得薄膜禁帶寬度較之退火溫度為400℃時(shí)反而減小，這是由于晶粒異常長(zhǎng)大及氧缺陷達(dá)到一定值，使得缺陷能帶變寬，禁帶寬度變窄。通過(guò)比較未退火及300℃條件下退火1h的AZ

11、O薄膜樣品的室溫光致發(fā)光光譜(PL)，可知退火使得薄膜發(fā)生藍(lán)移現(xiàn)象，點(diǎn)缺陷減少（間隙Zn原子等），但氧空位增多。(6)通過(guò)對(duì)未退火及在400℃條件下退火不同時(shí)間的AZO薄膜樣品的性能分析，得出最優(yōu)退火時(shí)間應(yīng)為60min，所得AZO薄膜品質(zhì)因子最大。其中，隨著退火時(shí)間的增加，薄膜晶粒尺寸先增大后減小，張應(yīng)力逐漸減小，結(jié)晶質(zhì)量先變好后變差。隨著退火時(shí)間的增加，薄膜載流子濃度逐漸減小，遷移率先增大后減小，它們共同作用使得薄膜電阻率先增大后減小

12、，AZO薄膜退火時(shí)間為60min時(shí)，電阻率取得最小值，為1.63×10-3Ω·m。隨著退火時(shí)間的增加，薄膜的平均光透過(guò)率先增大后減小。薄膜的平均光透過(guò)率先增大，這是由晶粒長(zhǎng)大造成晶界散射減小的結(jié)果，且在退火時(shí)間為120min時(shí)取得最大值。當(dāng)退火時(shí)間進(jìn)一步增大，薄膜的光透過(guò)率逐漸減小，這是由紫外吸收邊藍(lán)移現(xiàn)象減弱及晶粒細(xì)化造成晶界散射增強(qiáng)造成的，但薄膜平均光透過(guò)率仍在89％以上。AZO薄膜禁帶寬度Eg變化范圍為3.55eV-3.77eV，