射频磁控溅射ZnO：Al薄膜及其特性研究

论文摘要

ZnO:Al（AZO）薄膜因其低电阻率与高可见光区透射率有望替代ITO,成为主要的透明导电氧化物（TCO）材料。相对于ITO材料,AZO薄膜原材料丰富,价格低廉且无污染,是理想的透明导电氧化物材料。目前用以制备AZO薄膜的方法有多种,其中磁控溅射技术因其高的沉积速率与均匀性被认为是重要的制备AZO薄膜的技术之一。本论文利用射频磁控溅射技术,以ZnO:Al2O3（2 wt%Al2O3）为靶材在石英玻璃衬底上制备多晶AZO薄膜。为了与半导体制造领域的剥离工艺相兼容,所有样品均在室温下沉积。同时应用X射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扫面电子显微镜（SEM）、俄歇电子能谱仪（AES）、X射线光电子能谱仪（XPS）、霍尔效应测试系统以及紫外-可见分光光度计等测试手段,研究了不同射频功率、Ar气压强、薄膜厚度以及退火温度对薄膜结构特性、组分特征、电学性能与光学性能的影响研究表明,AZO薄膜为六角纤维锌矿结构,呈c轴择优取向,由于薄膜在室温下沉积,薄膜结构疏松多孔。对薄膜的组分分析表明薄膜为富氧态,而薄膜偏离化学剂量比的原因为疏松的结构引起的晶粒边界上O原子的吸附。通过对溅射工艺的优化在250W射频功率与1.2Pa Ar气压强下得到最低电阻率为1.83×10-3Ω·cm可见光区透射率80%以上的AZO薄膜。研究发现,对于室温下制备的AZO薄膜,制约其电学性能提高的主要因素为晶粒边界上的O原子吸附,因为它既降低了薄膜的载流子浓度又限制了载流子在晶粒间的迁移。同时当样品在N2中500℃～800℃退火1分钟时,这种O原子的吸附将使薄膜中的Al原子被氧化从而破坏其作为施主杂质的活性,并最终导致薄膜导电性能失效。另外,随着薄膜厚度的增加薄膜的c轴逐渐发生倾斜,这是由于锥状的（002）晶面受到溅射时产生的高能O原子的轰击造成的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO的基本特性
• 1.2.1 ZnO的结构特性
• 1.2.2 ZnO的电学特性
• 1.2.3 ZnO的光学特性
• 1.3 ZnO:Al（AZO）薄膜的基本性质
• 1.3.1 AZO薄膜结构与电学特性
• 1.3.2 AZO薄膜光学特性
• 1.4 本论文研究的目的
• 参考文献
• 第二章 AZO薄膜制备与测试方法
• 2.1 AZO薄膜的制备方法
• 2.1.1 热蒸发法
• 2.1.2 脉冲激光沉积
• 2.1.3 分子束外延
• 2.1.4 化学气相沉积
• 2.1.5 喷雾热解法
• 2.1.6 溶胶-凝胶法
• 2.1.7 磁控溅射
• 2.2 AZO薄膜的测试方法
• 2.2.1 四探针法
• 2.2.2 Hall效应与Van de Pauw方法
• 2.2.3 表面轮廓仪
• 2.2.4 X射线衍射技术
• 2.2.5 原子力显微镜
• 2.2.6 扫描电子显微镜
• 2.2.7 俄歇电子能谱仪与X射线光电子能谱仪
• 2.2.8 紫外—可见分光光度计
• 2.3 样品制备
• 参考文献
• 第三章 薄膜测试与分析
• 3.1 AZO薄膜的生长模型与形貌结构
• 3.1.1 AZO薄膜的生长模型
• 3.1.2 表面形貌与区域模型
• 3.2 射频溅射功率对AZO薄膜特性的影响
• 3.2.1 射频溅射功率对AZO薄膜结构特性的影响
• 3.2.2 射频功率对薄膜电学特性的影响
• 3.2.3 射频功率对AZO薄膜光学特性的影响
• 3.3 Ar气压强对AZO薄膜特性的影响
• 3.3.1 气压强对AZO薄膜结构特性的影响
• 3.3.2 Ar气压强对AZO薄膜电学特性的影响
• 3.3.3 Ar气压强对AZO薄膜光学特性的影响
• 3.4 厚度对AZO薄膜性能的影响
• 3.4.1 厚度对AZO薄膜结构特性的影响
• 3.4.2 厚度对AZO薄膜电学特性的影响
• 3.4.3 厚度对AZO薄膜光学性质的影响
• 3.5 热退火对AZO薄膜特性的影响
• 参考文献
• 第四章 结论
• 附录:论文发表情况
• 致谢