濺射氬氣壓強對AZO薄膜光電性能的影響

摘 要:采用磁控濺射方法在玻璃襯底上制備出了Al摻雜ZnO(AZO)薄膜，研究了濺射過程中不同氬氣壓強對薄膜光學、電學和微結構等方面性能的影響。XRD測試結果表明，所制備的薄膜均具有呈c軸擇優取向的纖鋅礦結構。當氬氣壓強為0.3Pa時AZO薄膜的電阻率降至，可見光平均透過率為93%。

關鍵詞:AZO薄膜濺射 氬氣壓強 電阻率 透過率

中圖分類號:O484文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)02(c)-0042-02

1 前言

透明導電氧化物(TCO)，由于其具有良好的導電性和透光性，已經被廣泛應用于太陽能電池、顯示發光器件、透明熱反射材料、電磁屏蔽等領域[1]。目前，研究最多且已經產業化的透明導電氧化物薄膜是摻雜Sn的In2O3基薄膜Sn:In2O3(ITO)，但是由于銦有毒性，價格昂貴且在制備和應用過程中對人體有害，從而限制了其更廣泛的應用。近年來，由于Al摻雜的ZnO薄膜(AZO)具有與ITO薄膜相比擬的光電性能(可見光區高透射率和低電阻率)，又因其價格較低等優點，已經成為當前透明導電薄膜領域的研究熱點之一，因而開展AZO材料的研究具有重要意義[2-4]。磁控濺射法由于具有成膜均勻、致密、且制備工藝簡單、成本低等優點，易于推廣而被廣泛采用，通常氬氣流量對薄膜的成膜質量和性能有重要作用。本文采用直流磁控濺射方法在普通玻璃上制備了AZO薄膜，研究了不同Ar氣流量對AZO薄膜的光學、電學性能影響。

2 試驗

試驗采用JCP-350磁控濺射鍍膜機。玻璃基片先在鹽酸溶液中浸泡24h以去除表面的有機物和雜質，然后在加熱的丙酮和酒精中分別超聲清洗10min，再用去離子水沖洗干凈并用氮氣吹干。濺射所用靶材為ZnO:Al2O3陶瓷靶(其中Al2O3的含量為2wt%)，靶材直徑為50mm，厚度為3mm，靶材與基底的距離為10cm，濺射功率為200W。濺射過程中的工作氣壓分別為0.15Pa、0.3Pa、0.45Pa、0.6Pa，基底溫度為200℃，濺射時間為40min。薄膜樣品采用日本RIGAKU的D/max 2200VPC型 X-射線衍射儀(XRD)進行晶體結構分析(2θ范圍為20°～80°)，采用UV-2501PC紫外可見分光光度計測量薄膜的可見光透過率，采用范德堡方法測量薄膜的電阻值，薄膜的厚度和沉積速率利用TPY-1型橢圓偏振測厚儀測量。

3 結果與討論

圖1給出了不同氬氣壓強下生長AZO薄膜的XRD。固定襯底溫度為200℃，濺射功率為200W。氬氣壓強分別為0.15Pa、0.30Pa、0.45Pa、0.60Pa條件下生長的樣品其(002)晶面衍射峰分別是34.08、34.12、34.05、34.14，這與標準的ZnO(002)面的峰位相近?？梢耘袛喑鏊练e的薄膜具有六角纖鋅礦結構且呈c軸擇優取向生長，Al的摻雜并沒有改變ZnO的晶體結構，而是取代了晶體中Zn2+的位置。隨著氬氣壓強從0.15Pa增加到0.3Pa，AZO薄膜的(002)面的衍射峰強度變化很大，而且在0.3Pa時候最強，說明此時薄膜的結晶質量最好，而隨著氬氣壓強的進一步增大，衍射峰強度逐漸變弱，晶化質量變差。這是由于隨著氬氣壓強的增大濺射出來的粒子平均自由程增大，在到達襯底表面之前濺射出的粒子與氬氣粒子碰撞，導致粒子在到達襯底的過程中動能逐漸減少，從而使結晶質量變差[5]。

AZO薄膜的透過率是重要參數之一。圖2為氬氣壓強分別為0.3Pa和0.6Pa時300～800nm波長范圍內薄膜的光波透過率曲線，薄膜都具有陡峭的截止吸收限，在0.3Pa和0.6Pa的氬氣壓強下的透過率幾乎相同，特別是在可見波長(380～780nm)范圍內的透過率曲線幾乎重合，平均透過率均在93%以上。從圖中還可以看出，當氬氣壓強從0.3Pa增大到0.6Pa，吸收限向長波方向移動，這是由于氬氣壓強的增大使薄膜中的缺陷增多，從而使散射中心增多，導致吸收限向長波方向移動。

圖3為薄膜樣品的電阻率隨濺射氬氣壓強的變化曲線。在0.15Pa到0.45Pa范圍內薄膜的電阻率變化并不明顯，0.30Pa時有最小電阻率?？梢哉J為，隨著氬氣壓的增大，AZO薄膜的沉積速率有所提高，這樣就有更多的被離化Ar+粒子撞擊到靶材表面，單位時間內轟擊靶面的粒子數增加，從而更多的靶材原子向襯底濺射，導致薄膜的沉積速率增大，但對電阻率的影響不大。當壓強升高到0.6Pa時薄膜的電阻率明顯增大，這是由于氬氣壓強增大到0.6Pa時，Ar+粒子濃度過高，濺射出來的靶材粒子在向襯底運動的過程中與Ar+粒子發生碰撞的幾率增大，導致成膜粒子的動能減小，沉積時粒子的遷移能力減弱，薄膜結晶質量變差(這與XRD的測試結果相符合)，因此電阻率變大。

4 結論

采用磁控濺射方法在玻璃襯底上生長AZO薄膜。研究了不同氬氣壓強下薄膜的晶體結構及其光電性能，結果表明，在氬氣壓強為0.3Pa時薄膜的(002)面衍射峰強度最大，結晶質量最好，薄膜具有最低的電阻率；薄膜的可見光透過率隨氬氣壓強變化不明顯，但可以看出隨著濺射氬氣壓強的增大，薄膜樣品的截止吸收限發生紅移。

參考文獻

[1]范志新.AZO透明導電薄膜的特性、制備與應用[J].光電子技術，2000，20(4):255～259.

[2]呂建國，葉志鎮.ZnO薄膜的最新研究進展.功能材料，2002，33(6):581-584.

[3]MinamiTadatsugu， Yamamoto Takashi. Transparent conducting zinc-co-doped ITO films prepared by magnetron sputtering[J]. Thin Solid Films， 2000，9:189-194.

[4]Rim Y S， Kim SM， ChoiHW，etal.Preparation of Al-doped ZnO thin film deposition at room temperature [J].Colloids Surf.A，2008，313-314:461-464.

[5]Xiao-Tao Hao，Jin Ma，Yin-ge Yang.Comparison of the properties for ZnO:Al films deposited on polyimide and glass substrates.Materials Science and Engineering:B.2002，90(1-2):50-54.

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