鋁摻雜量對(duì)氧化鋅薄膜光電性能的影響.pdf

1、近年來(lái),由于Al摻雜ZnO薄膜(ZnO:Al)具有優(yōu)良的光電性能,又因其原料豐富、成本低廉以及在氫等離子體環(huán)境中穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為透明導(dǎo)電薄膜領(lǐng)域的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)之一。ZnO:Al薄膜通常作為透明電極材料廣泛地應(yīng)用于光伏器件和OLED器件中。低電阻率和可見(jiàn)光區(qū)高透過(guò)率是影響電極材料的兩個(gè)重要因素。為了降低薄膜電阻率,通常把Al原子摻入到ZnO晶格中成為替位原子,從而增加晶格中自由載流子濃度,提高薄膜的導(dǎo)電性。如果Al摻雜量過(guò)低,薄膜導(dǎo)

2、電性得不到提高;如果Al摻雜量過(guò)高,過(guò)剩的Al原子不但會(huì)成為晶格缺陷降低載流子濃度和遷移率,而且還會(huì)成為晶格散射中心降低薄膜在可見(jiàn)光區(qū)的透光率。所以只有在適量鋁摻雜范圍內(nèi),才能使薄膜兼具優(yōu)良的光學(xué)和電學(xué)性能。因此,探究Al摻雜量對(duì)ZnO:Al薄膜光電性能的影響有一定的實(shí)際意義。
　　本文分別采用Al摻雜含量為1wt.％、2wt.％、3wt.％的Zn/Al合金靶材和Al摻雜含量為2wt.％的A1203陶瓷靶材,利用直流磁控濺射技術(shù)在

3、玻璃襯底上制備了ZnO:Al薄膜。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、PANalytical XRD衍射系統(tǒng)(XRD)、傳統(tǒng)四探針、UV-3150型IR-VIS-UV分光光度計(jì)、HMS-3000Hall測(cè)試儀分別研究摻雜含量和各種工藝參數(shù)對(duì)ZnO:Al薄膜的結(jié)構(gòu)、電學(xué)(載流子濃度、遷移率和電阻率)和光學(xué)特性的影響,研究結(jié)果如下:(1)研究不同Al摻雜量ZnO:Al薄膜電學(xué)性能受襯底溫度的影響。實(shí)驗(yàn)得出:隨著摻雜量的增加(1~3wt％),反應(yīng)最

4、佳襯底溫度值減小,分別在230℃、210℃、180℃時(shí)對(duì)應(yīng)電阻率最低,分別為6.3×10-4Ω·cm、7×10-4Ω·cm和1×10-3Ω·cm.我們從濺射氣相原子與襯底間能量交換行為的角度分析。(2)選取Al摻雜量不同的ZnO:Al薄膜樣品(電阻率相同),研究摻雜量對(duì)薄膜光學(xué)的性能。實(shí)驗(yàn)得出:在紫外波段,隨著摻雜濃度的增加,吸收限發(fā)生“藍(lán)移”。在近紅外波段(800-1100nm)1wt.％的ZnO:Al透光率明顯高于2wt.％、3wt

5、.％的ZnO:Al薄膜。這主要是因?yàn)?wt.％ ZnO:Al的載流子濃度低,自由載流子對(duì)光子的吸收少引起的。(3)選取Al摻雜量不同的ZnO:Al薄膜樣品(電阻率相同),利用Hall效應(yīng)測(cè)試探究鋁摻雜量對(duì)薄膜載流子濃度和載流子遷移率的影響。實(shí)驗(yàn)得出:在三個(gè)樣品電阻率大致相同的情況下,隨著摻雜量的增加,薄膜的載流子濃度逐漸增加,但薄膜載流子的遷移率逐漸下降。我們從摻雜機(jī)制和遷移率的散射機(jī)制方面給予解釋。(4)采用2wt.％Al摻雜的陶瓷靶

6、材制備ZnO:Al薄膜,研究氧氣流量和襯底溫度對(duì)薄膜光電性能的影響,同時(shí)與2wt.％Al摻雜的合金靶材制備的ZnO:Al薄膜比較襯底溫度對(duì)它們電阻率的影響。實(shí)驗(yàn)得出:①薄膜電阻率隨著氧氣流量的增加急劇增大。當(dāng)氧氣流量為0.22sccm時(shí),薄膜電阻率最小為5.02×104/Ω·cm,載流子濃度為4.237×1020/cm-3,遷移率29.32cm2/V·s。②薄膜電阻率隨著襯底溫度的升高逐漸降低。當(dāng)襯底溫度為400℃時(shí),電阻率達(dá)到最低4.

7、7×10-4Ω·cm.③與2wt.％Al摻雜的合金靶材制備的ZnO:Al薄膜比較得出:合金靶材制備的ZnO:Al薄膜所需襯底溫度較低,當(dāng)在210℃時(shí),電阻率達(dá)到最低最低6.74×10-4Ω·cm.我們從合金靶材反應(yīng)濺射和陶瓷靶材的濺射機(jī)理方面給予解釋。(5)系統(tǒng)研究了1wt.％Al摻雜的ZnO:Al薄膜電阻率受襯底溫度的影響,并且將其作為陽(yáng)極應(yīng)用到OLED器件中。實(shí)驗(yàn)得出:①當(dāng)襯底溫度為230℃時(shí),電阻率最小,阻值為6×10-4Ω·cm