靶基距對(duì)ZnMgO∶Ti透明導(dǎo)電薄膜性能的影響

孫 艷,倪慶寶,張化福,劉云燕,劉漢法

(山東理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

透明導(dǎo)電薄膜(TCO)因其獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)特性廣泛應(yīng)用于光電顯示、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。與ITO 薄膜相比，ZnO及摻雜薄膜價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境無(wú)毒無(wú)害、制備工藝簡(jiǎn)單，許多元素可被摻雜到ZnO中以調(diào)節(jié)其特性，因而引起了廣泛關(guān)注[1-3]。磁控濺射法是一種制備透明導(dǎo)電薄膜常用的方法[4-6]。采用磁控濺射法制備ZnMgO薄膜，在ZnO中摻入Mg取代Zn的位置，形成的Znl-xMgxO薄膜在保持纖鋅礦結(jié)構(gòu)不變的前提下，能夠在3.37～4.05 eV調(diào)節(jié)帶隙[7]。但是未摻雜的ZnMgO薄膜的導(dǎo)電性不好。摻雜元素對(duì)透明導(dǎo)電薄膜的性能有較大影響。龔麗等[6]利用磁控濺射法用Ga摻雜ZnO發(fā)現(xiàn)在不同生長(zhǎng)溫度下所制備的GZO薄膜最低電阻率為1.91×10-3Ω·,在可見(jiàn)光波段平均透射率均大于90%，光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異。Zhu等[8]用Al摻雜ZnO薄膜發(fā)現(xiàn)緩沖厚度增大時(shí)電阻率下降。顧錦華等[9]采用磁控濺射法用Ti摻雜ZnO，Ti摻雜能有效降低電阻率，品質(zhì)因數(shù)最大為748.15 s/cm。本文采用磁控濺射法在玻璃襯底上制備摻Ti的ZnMgO薄膜，研究靶基距對(duì)其結(jié)構(gòu)及光電性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

采用磁控濺射法，在玻璃襯底上通過(guò)改變靶基距制備了一系列ZnMgO∶Ti透明導(dǎo)電薄膜。靶材由ZnO(原子百分比為95%,純度為99.99%)粉末, MgO(原子百分比為5%,純度為99.99%)粉末和TiO2(相對(duì)于Zn0.95Mg0.05O質(zhì)量百分比為2.1%,純度為99.99%)粉末高溫?zé)Y(jié)而成。 靶材直徑為75 mm,厚度為3 mm。基體為玻璃片，在丙酮中超聲清洗10 min，再在無(wú)水乙醇和去離子水中浸泡0.5 h,取出并在恒溫干燥箱中晾干。制備過(guò)程中濺射室內(nèi)真空抽至4.6×10-3Pa，濺射壓強(qiáng)保持9 Pa，功率保持85 W，濺射時(shí)間為30 min，靶基距分別取45 mm、50 mm、65 mm、70 mm。

1.2 樣品測(cè)試

用D8 型X射線儀(CuKa1靶，波長(zhǎng)0.154 1 nm)測(cè)定薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，用掃描電鏡觀察樣品的形貌。用雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量樣品的光學(xué)透過(guò)率，用四探針?lè)ㄔ谑覝叵聹y(cè)量薄膜的方塊電阻R,用SGC-10型薄膜測(cè)厚儀(測(cè)量精度<1nm)測(cè)量薄膜的厚度, 薄膜的電阻率由公式ρ=R×L[10]計(jì)算得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品形貌、晶體結(jié)構(gòu)分析

圖1給出了不同靶基距下薄膜SEM圖。從圖1可看出，不同靶基距下ZnMgO:Ti薄膜顆粒均勻清晰，有較好的致密性。在50 mm下濺射薄膜的晶粒尺寸大于在65 mm下薄膜的晶粒尺寸。薄膜的表面結(jié)構(gòu)由沉積粒子的能量決定。濺射靶面和基底的距離即靶基距較大時(shí)，濺射粒子到達(dá)基板，由于能量損耗，粒子能量很小，晶體結(jié)合能力下降，顆粒變得細(xì)小；圖2給出了不同靶基距下ZnMgO:Ti薄膜的XRD衍射圖。在不同的靶基距下薄膜樣品僅有一個(gè)較強(qiáng)衍射峰，衍射峰角2θ大約為34.7°左右，這表明薄膜有較好的c軸取向。靶基距為50 mm時(shí)薄膜的衍射峰高于靶基距為65、70 mm的薄膜衍射峰，表明靶基距為50 mm時(shí)的薄膜的結(jié)晶化程度更好。表1給出了不同靶基距下的薄膜厚度。

(a)50mm (b)65mm 圖1 不同靶基距下薄膜的SEM圖 Fig.1 SEM pictures of films deposited at different target-substrate distances

圖2 不同靶基距下薄膜的XRD衍射圖Fig.2 XRD spectra of films deposited at different target-substrate distances

表1 不同靶基距下薄膜的厚度

Table 1 Film thickness at different target-substrate distances

靶基距/mm45506570薄膜厚度/nm 595.4460.1222.7180.3

2.2 靶基距對(duì)薄膜電學(xué)特性的影響

由圖3我們可以看出，在45～70 mm范圍內(nèi)，隨著靶基距的增加，薄膜的電阻率先減小后增加，50 mm處電阻率最小，導(dǎo)電性相對(duì)較好。我們認(rèn)為導(dǎo)電性與薄膜的結(jié)晶程度和薄膜厚度、晶粒尺寸等微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如果薄膜的結(jié)晶化程度較好，那么形成的缺陷就會(huì)很少，載流子的散射就會(huì)減弱，因而薄膜的導(dǎo)電性較好，電阻率相對(duì)變小。圖2表明在靶基距為50 mm時(shí)薄膜的結(jié)晶程度較好。較大的晶粒尺寸減少了晶界，有效的減弱了載流子的散射率，而薄膜厚度的增加有利于增加載流子的遷移率。在這幾個(gè)因素的共同作用下，在靶基距50 mm下濺射的薄膜獲得了最佳的導(dǎo)電性能。

圖3 電阻率隨靶基距的變化曲線Fig.3 Variations of electrical resistivity at different target-substrate distances

2.3 靶基距對(duì)薄膜光學(xué)特性的影響

圖4給出了不同靶基距下透射率與波長(zhǎng)的關(guān)系圖。從圖4可以看出，隨著靶基距的增加，ZnMgO∶Ti薄膜透射率的干涉峰峰數(shù)逐漸減少，透射率越來(lái)越穩(wěn)定。這是因?yàn)椋谢嗖煌率贡∧さ暮穸炔煌?表1)，如果薄膜越厚粒子數(shù)越多，干涉峰數(shù)就會(huì)越多。在400～900 nm范圍內(nèi)，不同靶基距條件下制備的ZnMgO∶Ti薄膜平均透射率都達(dá)到92%以上，說(shuō)明我們制備的薄膜具有很好的光學(xué)性能。此外，我們還可以看出，相對(duì)于靶基距為45 mm情況下制備的薄膜，在50～70 mm制備的薄膜光學(xué)吸收邊界出現(xiàn)藍(lán)移(吸收邊界向波長(zhǎng)減小的方向移動(dòng))。

圖4 薄膜的透光率Fig.4 Optical transmittance as a function of wavelength

對(duì)于薄膜的光學(xué)帶隙，因?yàn)棣羑v2=A(hv-Eg)，則通過(guò)將α2-hv曲線的線性部分外推至α=0，該位置所對(duì)應(yīng)的hv的值即為光學(xué)帶隙，α為吸收系數(shù)，由公式α=(1/d)ln(1/T)求得，其中d是薄膜的厚度，T是薄膜的透射率。從圖5可以看出在45～70 mm范圍內(nèi)，隨著靶基距的增大，薄膜的帶隙寬度先增加后減小，靶基距為50 mm時(shí)的薄膜帶隙寬度最大，大約為3.54 eV，這是因?yàn)榘谢嗟牟煌鸨∧ぞw結(jié)構(gòu)的不同，從而導(dǎo)致帶隙寬度的改變。

(b)50 mm

(c)65 mm

(d)75 mm圖5 不同靶基距下的帶隙寬度Fig.5 Band gap at different target-substrate distances

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)直流磁控濺射法，成功地制備出顆粒大小均勻、致密性較好、具有良好c軸取向的ZnMgO∶Ti透明導(dǎo)電薄膜。在靶基距50 mm的薄膜導(dǎo)電性能最好。在400～900 nm范圍內(nèi)，平均透射率達(dá)到92%以上，薄膜光學(xué)吸收邊界出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象。靶基距對(duì)薄膜的禁帶寬度影響較大。