Si的滲透和摻雜對AZO薄膜結(jié)構(gòu)和特性的影響.pdf

1、ZnO是一種Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體材料，具有直接寬帶隙（室溫下3.37eV），屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。ZnO及Al:ZnO（AZO）在光電、壓電、熱電、鐵電和光電器件等諸多領域都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。
　　隨著ZnO和AZO薄膜研究及應用的進一步深入，Si的滲透或摻雜引起了廣泛關(guān)注，主要體現(xiàn)在兩方面：
　　一）相關(guān)的研究和應用中，ZnO或AZO薄膜通常是以Si單晶或多晶作為襯底，在ZnO或AZO薄膜的沉積過程中，襯底中的Si向薄膜中

2、的滲透將形成ZnO:Si或AZO:Si過渡層，為此，必須關(guān)注兩個問題：1）過渡層厚度或Si的滲透深度對ZnO或AZO薄膜主體結(jié)構(gòu)和性能的影響；2）薄膜制備過程中基片溫度對過渡層結(jié)構(gòu)和性能的影響；
　　二）Si的摻雜可以調(diào)制ZnO或AZO薄膜的特性，但Si的摻雜濃度對ZnO或AZO薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響如何還不甚明了。
　　針對以上熱點，本文以ZnO:Al:Si粉末混合燒結(jié)陶瓷靶為濺射靶，以Ar為濺射氣體，采用射頻磁控濺射法，在

3、石英和硅片襯底上沉積了Al、Si共摻雜的ZnO薄膜（AZO:Si），開展的工作主要包括以下三個方面：
　　一）沉積溫度設定為400℃，Si摻雜濃度為1.2wt%的條件下，膜厚（在此等效為過渡層的厚度或Si的滲透深度）對AZO薄膜電學、光學性質(zhì)的影響。
　　結(jié)果顯示，薄膜的電阻率、載流子濃度和遷移率都強烈地依賴于膜厚，在膜厚為19nm時，載流子濃度和遷移率接近最小，電阻率較大，且呈現(xiàn)出p型導電特性。隨著膜厚增加，載流子濃度和遷

4、移率都變大，電阻率減小并趨于穩(wěn)定，膜厚在396nm附近時電阻率接近最小，達7×10-3Ωcm，此時的載流子濃度和遷移率分別是1.54×1020cm-3和5.66 cm2V-1s-1。
　　結(jié)合薄膜的X射線衍射（XRD）圖譜、X射線光電子能譜（XPS）和紫外-可見光（UV-Vis）透射光譜探討了膜厚（等效為Si的滲透深度或過渡層厚度）對薄膜性能的影響及其相關(guān)機制。研究表明，薄膜較薄時（20nm左右），Si的滲透對薄膜的性質(zhì)的影響比較

5、明顯，主要體現(xiàn)在產(chǎn)生Si-O-Zn鍵，甚至形成Zn2SiO4顆粒；隨著膜厚的增加，Si的滲透（或Si過渡層）對AZO的影響將逐漸減小，300nm左右影響已很小，基本可以忽略；膜厚為400nm左右電阻率最低；通過控制薄膜厚度可以實現(xiàn)對薄膜的電阻率、載流子濃度、光學帶隙等性質(zhì)的有效調(diào)控。
　　二）Si弱摻雜（濃度為1.0wt%）條件下，薄膜厚度控制在160nm左右，研究了沉積溫度對AZO:Si薄膜的結(jié)構(gòu)和特性的影響，如表面形貌、光學性

6、質(zhì)、電學性質(zhì)的影響。
　　結(jié)果表明：在沉積溫度為400℃時，所得到的薄膜的結(jié)晶情況最佳，具有非常明顯的c軸擇優(yōu)取向，（002）峰的位置在34.45°，幾乎等于AZO薄膜的標準值，此時電阻率接近最小，載流子濃度和遷移率分別6.09×1020cm-3和18.5211cm V-S-；另外，AZO:Si薄膜的平均透射率隨著沉積溫度有微小變化。
　　三）沉積溫度維持在400℃，膜厚在160nm左右，Si摻雜濃度對AZO:Si薄膜的結(jié)構(gòu)