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透明导电薄膜ZAO的制备与特性研究

作　者: 田丹丹
导　师: 张之圣
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: ZAO薄膜 RF溅射 薄膜方阻 可见光透过率
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


透明氧化物(TCO)薄膜因具有优异的光电性能而被应用在各种光电器件中,如平面液晶显示器、太阳能电池等。随着TCO薄膜制备方法的不断改进、成熟以及聚合物基TCO薄膜的开发,TCO薄膜将具有更广阔的应用发展空间。本文首先介绍了透明导电氧化物薄膜的发展历程以及应用领域,针对其面临的主要问题,引出新一代透明导电氧化物薄膜材料:掺铝ZnO(ZAO),论述了ZAO薄膜的电学、光学性能,并对制备方法作了比较详尽的介绍,包括激光脉冲沉积法、喷雾热解法、分子束外延法、金属有机物化学气相沉积法、溶胶凝胶法和磁控溅射法等。本文采用自制的ZAO靶材在玻璃基片上用射频(RF)磁控溅射的方法制备ZAO薄膜。实验部分从ZAO陶瓷靶材铝掺杂量的探讨开始,选取ZnO、Al2O3为原料(Al掺杂量为2.5wt%),通过固相反应制备ZAO陶瓷靶材。靶材SEM和XRD分析表明,靶材结晶良好,表面光滑致密。对射频溅射生长出来的薄膜通过四探针测试仪测试薄膜方阻,XRD分析晶体结构,分光光度计测量可见光透射率,AFM表征表面形貌和粗糙度,并对光致发光PL谱做了相应的研究。探讨了掺铝以及射频溅射工艺中溅射时间、溅射功率、气体压强、基片温度等工艺参数对薄膜性能的影响。研究得出结论:1.沉积的薄膜结构均为(002)方向择优生长,且具有较高的透射率(80%),并且由于Al掺杂,薄膜紫外线截止边向短波方向移动。室温光致发光PL谱出现蓝紫双峰。2.适当增加溅射时间,提高溅射功率,可以降低薄膜方阻,但是可见光透射率有所下降。综合考虑光学和电学性能,选取60min为参考时间,120W为功率上限。3.实验过程中Ar气流量保持同一水平,气体压强的变化改变了真空镀膜室中气体的相对浓度比,直接决定了入射离子电流的强度以及溅射粒子在迁移至基片过程中受到散射的强度。当气体压强为0.55Pa时,制备所得薄膜方阻最低,且可见光容易透过,因此得出结论,0.55Pa为最佳工作压强。4.当基片温度小于100℃时,薄膜性能随着温度升高不断改善,后趋于平缓,从经济角度考虑,基片温度取为100℃。实验最终制得方阻(11.6072?/□),可见光透过率大于85%,结晶良好的ZAO薄膜。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章 透明导电氧化物薄膜概述  7-16
  1.1 引言  7
  1.2 透明导电氧化物薄膜的发展历史  7-11
    1.2.1 SnO_2 基薄膜  8-9
    1.2.2 In_2O_3 膜  9-10
    1.2.3 ZAO 膜  10-11
  1.3 透明导电氧化物薄膜的应用  11-14
  1.4 透明导电氧化物薄膜面临的问题  14-15
  1.5 本文章节安排  15-16
第二章 掺铝ZnO(ZAO)薄膜的研究  16-27
  2.1 ZnO 的晶体结构  16
  2.2 ZnO 及掺Al 后的导电原理  16-17
  2.3 掺铝氧化锌薄膜材料特性  17-20
    2.3.1 掺铝氧化锌薄膜电学性能  17-18
    2.3.2 掺铝氧化锌薄膜光学性能  18-20
  2.4 掺铝氧化锌薄膜的制备方法  20-27
    2.4.1 脉冲激光沉积  20-21
    2.4.2 喷雾热解法  21-22
    2.4.3 分子束外延法  22-23
    2.4.4 金属有机化学气相沉积  23-24
    2.4.5 溶胶—凝胶法  24-25
    2.4.6 磁控溅射法  25-27
第三章 ZAO 靶材的制备  27-32
  3.1 靶材中Al 掺杂量的确定  27-28
  3.2 ZAO 靶材制备过程  28-32
第四章 ZAO 薄膜的制备方法与理论基础  32-42
  4.1 溅射镀膜装置  32
  4.2 射频溅射镀膜过程  32-34
  4.3 实验参数及过程  34-35
    4.3.1 实验参数确定  34-35
    4.3.2 实验过程  35
  4.4 样品分析与检测  35-42
    4.4.1 四探针测试仪  36-37
    4.4.2 扫描电子显微镜  37
    4.4.3 原子力显微镜  37-39
    4.4.4 X 射线衍射  39-40
    4.4.5 分光光度计  40-41
    4.4.6 稳态—瞬态荧光光谱仪  41-42
第五章 Al 掺杂ZnO 薄膜性能分析  42-48
  5.1 Al 掺杂ZnO 薄膜结构分析  42-43
  5.2 Al 掺杂对薄膜电学性质的影响  43-44
  5.3 Al 掺杂ZnO 薄膜的可见光吸收谱  44-45
  5.4 Al 掺杂ZnO 薄膜的光致发光性质  45-48
    5.4.1 ZnO 薄膜的发光机制  45-47
    5.4.2 Al 掺杂ZnO 薄膜的光致发光  47-48
第六章 射频溅射参数对ZAO 薄膜性能的影响  48-67
  6.1 溅射时间对薄膜性能的影响  48-53
    6.1.1 不同溅射时间薄膜结构的XRD 分析  48-49
    6.1.2 不同溅射时间薄膜AFM 形貌分析  49-50
    6.1.3 溅射时间对薄膜导电性能的影响  50-51
    6.1.4 不同溅射时间薄膜可见光平均透过率的研究  51-52
    6.1.5 不同溅射时间制备薄膜的PL 谱  52-53
  6.2 不同溅射功率薄膜结构以及光、电性能的研究  53-55
    6.2.1 溅射功率对薄膜结晶质量的影响  53
    6.2.2 不同溅射功率薄膜方阻表征  53-54
    6.2.3 80W 与120W 射频功率薄膜透光率曲线的比较  54-55
  6.3 气体压强变化对薄膜性能的影响  55-61
    6.3.1 气体压强对薄膜结构的影响  56-57
    6.3.2 薄膜方阻随气体压强的变化  57-58
    6.3.3 气体压强对薄膜透光率的影响  58-60
    6.3.4 不同压强下薄膜的PL 谱  60-61
  6.4 不同基片温度制备薄膜的性能分析  61-67
    6.4.1 不同基片温度下薄膜的X 射线衍射  61-63
    6.4.2 不同基片温度薄膜电性能的比较  63-64
    6.4.3 基片温度对薄膜透光率影响  64-65
    6.4.4 不同基片温度薄膜光致发光的研究  65-67
第七章 结论  67-69
参考文献  69-72
发表论文和参加科研情况说明  72-73
致谢  73

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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