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文档简介

摘要 本文采用直流反应磁控溅射法金属镶嵌靶i n m o 和i i 删制备高价态差掺钼 氧化铟( i n 2 0 3 :m o ,n v l o ) 和掺钨氧化铟( i n 2 0 3 :w ,i w o ) 透明导电薄膜,研究了 氧分压、溅射电流、基板温度等制备条件参数对i m o 和i w o 的薄膜结构、电学 和光学性能的影响;利用m 、d m 、x p s 等分析手段对薄膜进行表征与分析; 制备了结晶性良好、载流子迁移率高的i m o 和i w o 薄膜。 直流反应磁控溅射技术制备的i m o 透明导电薄膜为多晶的方铁锰矿结构; 改善了由反应热蒸发法制备的i m o 薄膜的结晶性。建立了直流磁控溅射法制备 具有良好光电特性的i m o 薄膜的条件;获得的i m o 薄膜的最低电阻率为3 7 1 0 。4 q c m ,最高载流子迁移率为5 0c m 2 v “s ,在可见光区( 4 0 0 7 0 0 r i m ) 的平均透射率 可高达8 9 。研究表明,氧分压对制备薄膜的光电特性有很大影响,薄膜中的 自由载流子主要由氧空位和掺杂离子提供,薄膜的光学禁带宽度( 3 8 1 3 ,8 5 e v ) 变宽主要是由b u r s t e i n m o s s 效应确定。 首次采用直流磁控溅射法制备了高迁移率i w o 薄膜。在i w o 薄膜中,w 原 子替代了i n 2 0 3 晶格中的h 原子的位置,既没有形成新的化合物,也没有改变 i n 2 0 3 的方铁锰矿晶格结构。所制备的i w o 薄膜的最佳电阻率为2 7 1 0 4q c m , 最高载流子迁移率为5 7c m 2 v o s ,可见光透射率大于9 0 ,光学禁带宽度大于 3 9e v ,其光电性能指标均优于在相同制备条件下制备的未掺杂的i n 2 0 3 薄膜。 研究表明,i w o 多晶薄膜( 2 2 2 ) 和( 4 0 0 ) 衍射峰强度比值与氧分压、掺杂含量、衬 底温度以及溅射电流等制备条件参数密切相关。 本文还研究在室温采用直流反应磁控溅射法制备i m o 薄膜,探索室温制备 i m o 薄膜的条件参数。普通玻璃基板上制备的i m o 薄膜为非晶结构。该薄膜具 有良好的光电性能,最佳电阻率为5 9 x l 酽q c m ,载流子迁移率为2 0 2c m 2 v 。s _ i , 可见光透射率大于9 0 。研究表明,氧分压对室温制备的薄膜的载流子浓度有 很大的影响,因此薄膜的电阻率和透射率对其很敏感。a f m 分析表明,室温制 备的i m o 薄膜表面颗粒细小均匀,方均根粗糙度仅为o 8n l n ,为研究开发i m o 薄膜在柔性基板上的制备技术建立了良好的基础。 关键词:掺钼氧化铟掺钨氧化铟直流反应磁控溅射法室温载流子迁移率 塑里皇王堡主兰竺丝苎 垩翌曼皇墨些塑苎堕竺型墨兰里塞丝! 兰墨 a b s t r a c t t r a n s p a r e n tc o n d u c t i v eo x i d ef i l m so f b o t h1 1 1 2 0 3 :m o ( i m o ) a n d1 n 2 0 3 w ( i w o ) h a v eb e e ns u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e db yu s i n gd er e a c t i v em a g n c t r o ns p u r e n n gf r o m m e t a l l i ct a r g e t so f i n m oa n di i l ,。r e s p e c t i v e l y t h ed e p e n d e n c eo f e l e c t r i c a l ,o p t i c a l a n ds t r u c t u r ep r o p e r t i e so fb o 也i m oa n di w of i l m so nd e p o s i t i o np a r a m e t e r s ,s u c h a so x y g e np a r t i a lp r e s s u r e ,s u b s t r a t et e m p e r a t u r e ,a n ds p u t t e r i n gc u r r e n t ,h a v eb e e n i n v e s t i g a t e di nd e t a i l i m of i l m sp r e p a r e db yd cr e a c t i v em a g n e t r o ns p u t t e r i n ga r ep o l y - c r y s t a l l i n e b i x b y i t es t r u c t u r e ,a n dh a v eb e t t e rc r y s t a l l i n ep r o p e r t yt h a nt h a to f f i l m sd e p o s i t e db y t h e r m a lr e a c t i v ee v a p o r a t i o n t h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o no fd em a g n e t r o ns p u t t e r i n g f o ri m of i l m sw l t hg o o do p t o e l e c t r i cp r o p e r t i e sh a sb e e ne s t a b l i s h e d 1 1 l el o w e s t e l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yo fi m of i l m sw a s3 7 x 1 0 4q c ma n dt h eb e s tc a r r i e rm o b l h wo f i m 0w a sa b o u t5 0c m 2v 4 s n 圮h i g h e s ta v e r a g ev i s i b l et r a n s m i t t a n c eo ft h ei m o f i l mw a s8 9 mr e s u l t ss h o wt h a to x y g e np a r t i a lp r e s s u r eg r e a t l ye f f e c t so nt h e p h o t o e l e c t n c i t yo fi m o t h i nf i l m s ,a n dm o l y b d e n u md o p a n ta n do x y g e nv a c a n c i e sa r e t h ed o m i n a n tf a c t o r st oe n h a n c et h ec o n d u c t i v i t y 1 1 1 ew i d e n i n go fo p t t c a lb a n dg a p ( 3 8 l - 3 8 5 e v ) w a sm a i n l yd e t e r m i n e db yt h eb u r s t e i n - m o s se f f e c t h 1 曲q u a l i t yi w of i l m sw c l ef i r s t l yd e v e l o p e db yu s i n gd cr e a c t i v er n a g n e t r o n s p u t t e r i n g i tw a sf o u n dt h a tw s u b s t i t u t e di ns i t ei nl a t t i co fi n 2 0 3i ni w of i l m s t h e r ew e r en oo t h e rn e wc o m p o u n d sa n dn oc h a n g eo fc r y s t a ls t r u c t u r eo fi n 2 0 3i n i w of i l m s 1 1 l el o w e s te l e c t r i c a lr e s i s t i v i t yo fi w of i l m sw a s2 7 x1 0 q c ma n dt h e b e s tm o b i l i t yi ni w of i l m sw a sa b o u t5 7c m 2 v “s 一。t h ea v e r a g et r a n s m i t t a n c eo f t h e i w of i l mi nv i s i b l er e g i o nw a so v e r9 0 t h eo p t i c a lb a n dg a pw a sm o r et h a n3 9e v n 坨c a r r i e rm o b i l i t yi ni w of i l m si sh i g h e rt h a nt h a to f u n d o p e di n 2 0 3f i l m sp r e p a r e d a tt h es a m ec o n d i t i o n t h ep r e f e r e n t i a lo n e n t a t i o no fi w of i l m si s ( 2 2 2 ) o r ( 4 0 0 ) ,t h e r e l a t i v ei n t e n s i t yo f ( 2 2 2 ) a n d ( 4 0 md e p e n do ns p u t t e r i n gp a r a m e t e r ss u c h 鹪o x y g e n p a r t i a lp r e s s u r e ,d o p i n gc o n t e n t ,s u b s t r a t et e m p e r a t u r ea n ds p u t t e r i n gc u r r e n t ,e t c a na m o r p h o u st r a n s p a r e n tc o n d u c t i v eo x i d et h i nf i l mo fm o l y b d e n u m d o p e d i n d m mo x i d e ( i m o ) w a sp r e p a r e db yd er e a c t i v em a g n e t r o ns p u t t e r i n ga tr o o m t e m p e r a t u r e n ef i l m sf o r m e do ng l a s sm i c r o s c o p es l i d e ss h o wg o o de l e c t r i c a l a n d o p t i c a lp r o p e r t i e s :t h el o wr e s i s t i v 畸o f 5 9 x1 0 1 q e m , t h ec a l t i e re o n c e n t r a t i o no f 5 2 1 0 2 0c m - 3 。t h ec a r r i e rm o b i l i t yo f2 0 2c m 2 v 1 s - 1 ,a n da l la v e r a g ev i s i b l e t r a n s m i t t a n c eo fa b o u t9 0 t h ei n v e s t i g a t i o nr e v e a l st h a to x y g e np a r t i a lp r e s s u r e i n f l u e n c e sg r e a t l yt h ec a r r i e rc o n c e n _ 【r a t l o na n dt h e nt h ep h o t o e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so f t h ef i l m s a t o m i cf o r c em i c r o s c o p ee v a l u a t i o ns h o w st h a tt h ei m of i l mw i t hu n i f o r m p a r t i c l es i z ea n ds m o o t hs u r f a c ei nt e r m so f r o o tm e a ns q u a r eo f 0 8n n lw a so b t a i n e d 1 i - t h er e s u l ts u p p l i e st h er e f e r e n c et ot h ef o r m a t i o no fi m of i l m so nn o n - h e a t - r e s m t a n t s u b s t r a t e s k e yw o r d s :i n 2 0 3 m o ,i n 2 0 3 :w ,d er e a c t i v em a g n e t r o ns p u t t e r i n g ,r o o mt e m p e r a t u r e , c a r r i e rm o b i l i t y - 1 i i 1 1 透明导电薄膜概述 第一章绪论 半导体物理学在近几十年的迅速发展中,吸引了大量科研人员对半导体材料 进行了深入地研究,其中一个重要的研究方向是半导体透明导电薄膜材料的基本 性能及其应用的研究。这种半导体薄膜材料具有电阻率低和在可见光范围内透射 率高的特点。1 9 0 7 年b a d e k e r 首次报道了热蒸发法生成c d o 透明导电薄膜。早 期对此类薄膜材料的研究工作只出于科研的兴趣,1 9 4 0 年后才出现了大量的技 术研究进展。半导体透明导电薄膜材料在工业和科研领域均具有可观的应用价 值,可广泛应用于平板显示器、太阳能电池、电致变色器件、热反射膜、电磁屏 蔽窗、有机发光器件等领域。另外,大面积和低成本的半导体透明导电薄膜,可 应用于园林领域( 如玻璃建筑等) ,具有着巨大的实用前景【l 】。因此,开发新型 的透明导电薄膜材料、研究高性能薄膜材料的制备合成技术是开拓半导体透明导 电薄膜实际应用领域、提高生产率和降低工业成本的有效途径。 t a b l e1 1m a t e r i a l s 可p ef o rt r a n s p a r e n tc o n d u e t w et h i nf i l m s 薄膜种类 薄膜材料 金属薄膜 导电性氮化物薄膜 导电性硼化物薄膜 氧化物半导体薄膜 a u 、a g 、p t 、c u 、r h ,p d 、a i 等 啊n 、z r n l a b 4 i n 2 0 3 、s n 0 7 、z n o 、c d o 、c d 2 s n 0 4 、z n 2 s n 0 4 等 到目前为止,研究者们已经开发了大量的半导体透明薄膜材料,如表1 1 所 示的以金属基、氧化物半导体为主的各种材料。当金属薄膜膜厚小于2 0 h m 时, 带问吸收足够小而具有透明性,如金,银、铜在可见光范围具有高的透射率而在 更长的波长范围具有大的反射系数。但金属薄膜的反射率会损害其透明性,为了 减少可见光的反射并提高光透射率,可以镀上具有高折射率的材料,组成三层结 构( 如t i 0 2 a g t i 0 2 2 1 ) ,但这种膜持久性不太好。与金属薄膜一样,有一些氮化 物薄膜或硼化物薄膜也具有透明导电性,但性能不理想。除了特殊用途( 如磁屏 蔽) 外,上述几种薄膜材料实际应用很少。而氧化物透明导电薄膜因其高的载流 子浓度0 0 2 0 c m 3 ) 和宽的光学禁带宽度( 3 3 e v ) 等优良的光电特性,得到了广泛的 研究与应用。 透明导电氧化物( t r a n s p a r e n tc o n d u c t i v eo x i d e 简称t c o ) 薄膜材料主要包括 i i l 、z n 、s n 和c a 的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料,具有禁带宽度宽、可 物理电子硕士学位论文透明导电氧化物薄膜的制备与研究覆曼,t 荸 见光范围光透射率高和电阻率低等光电特性。氧化物透明导电材料体系主要有 i n 2 0 3 、s n 0 2 、z n o 、c d o 及其掺杂体系i n 2 0 3 :s n ( i t o ) 、s n 0 2 :s b ( a t o ) 、s n 0 2 f f f t o ) 、z n o :a i ( z a o ) 、i n 2 0 3 :m o ( i m o ) 1 3 1 等,表l 一2 所列的为透明导电膜氧化 物半导体的基本特性。这些材料属于n 型简并半导体,由施主如氧空位和掺杂金 属离子等提供约1 0 2 0 c m 弓浓度的自由电子,其中c d o :i n 薄膜的电阻率可低至1 0 弓 q c m ,但c d 具有毒性而无法实际应用。 t a b l e1 2b a s l ep r o p e r t i e so f t c of i l m s 材料晶体结构 繁擎裂器 介电常数折射系数 i n 2 0 3 方铁锰矿 3 5 5 - 3 7 51 0 。1 0 4 8 92 0 - 2 i s n 0 2 四方金红石 3 7 - 4 61 0 - z 1 旷 1 21 8 2 2 z n o 纤锌矿 31 - 3 61 0 1 - 1 0 48 51 8 5 19 0 i t o 方铁锰矿 3 5 - 461 旷1 0 一 18 - 2 1 1 2 1 盟! 望! ! q :j ! ! :! ! : :! ! :! ! 图1 1 所示为1 9 7 0 2 0 0 0 年间发表的s n 0 2 基、i n 2 0 3 基和z n o 基t c o 薄膜 的电阻率【4 】。可以看出,经杂质掺杂s n 0 2 :h 1 2 0 3 合成的i t o 薄膜其电阻率最小为 1 2 1 0 4q c m ,经杂质掺杂的z n o 基薄膜电阻率具有下降的趋势。因此s n 0 2 , i n 2 0 3 、i t o 和z a o 成为主要商业化应用的t c o 薄膜材料i ,j 。随着合成氧化物技 术的不断提高,其他氧化物相关材料如铁电、介电材料和其他的t c o 薄膜材料 也得到了发展。最近,新型合成的二元氧化物甚至多元化合物提高了t c o 薄膜 材料的性能,如z n o s n 0 2 、z n o - i n 2 0 3 、c d s b 2 0 4 、m g l n 2 0 4 、c d 2 s n 0 6 :y 、z n s n 0 3 、 i m s n 3 0 1 2 、g a i n 0 3 、z n 2 i n 2 0 5 、i n 4 s n 3 0 n 等 5 - 8 1 ,但到目前为止,这些新型的氧化 物材料尚未取代原有已商业化的材料。 y e a r f i g u r e1 - 1r e p o r t e d ( 1 9 7 0 2 0 0 0 、r c s t s i v t t i e so fb i n a r yt r a n s p a r e n tc o n d u c t i n go x l d e ( t c o ) m a t e r i a l s u n d o p e da n di m p u r i t y - d o p e ds n 0 2 ( d ) ,1 n 2 0 3 ( ) a n dz n o ( ) 富。u)q誊童皿g篮 1 2t c o 薄膜的独特性能 透明导电薄膜其透明性要求材料中自由电子少,材料的能带宽度大( 3 e v ) ; 而另一方面其导电往则要求材料的电阻率低,自由电子多。只有能同时满足这两 方面条件的材料才能用于透明导电薄膜,因此人们一直在努力同时提高透明导电 薄膜的透明性和导电性。 1 2 1 t c o 薄膜的电学特性 t c o 薄膜的主体材料金属氧化物的禁带宽度一般都大于3 e v ,在未掺 杂且符合化学计量配比的理想情况下,由原子外层电子形成的能带是充满的,导 带是空的,f e r m i 能级处于禁带之中。在室温下,价带中的电子无法通过热激发 而越过较宽的禁带,只要外加电场不是特别强,理论上应该没有可以自由移动的 载流子存在,因此金属氧化物薄膜表现为透明的绝缘体。在金属氧化物中掺入价 态不同的金属离子或负离子,当掺杂离子以替代形式占据晶格中相应的离子的位 置时,就有可能出现多余的电子或空穴被束缚在掺杂离子周围。但是,这个束缚 作用相当微弱,室温下的热运动就可以提供足够的能量使之脱离束缚而在晶体中 自由运动,形成n 型或p 型自由载流子。如果掺杂离子的价态高于被替代离子, 金属氧化物则形成1 1 型半导体;反之,则可能形成p 型半导体。掺杂氧化物的电 导率盯正比于自由载流子浓度m 和迁移率m : o - = 以- c p ( 1 i ) ( 1 ) 载流子浓度自由载流子浓度与掺杂浓度密切相关。但掺杂离子在氧 化物中的溶解度是有限的;而且掺杂离子是一种晶格缺陷,对电子有较强的散射 作用,如果浓度较高,则会严重影响载流子的迁移率。因此,单就电导率而言, 在有足够多自由载流子的情况下,掺杂离子浓度应当越低越好。 ( 2 ) 载流子迁移率在完整的理想晶体中,自由电子是在周期性势场中 运动,不存在产生阻力的微观结构。但在实际的材料中,晶体中的杂质、缺陷、 晶粒问的界面等结构上的不完整性,以及出于晶体原子的热振动而离开平衡位置 等原因都会导致周期性势场的偏离。这种偏离使电子波遭受散射,限制了载流子 的移动速度。载流子迁移率。就是这种限制的体现,与驰豫时间f ( 指发生两次 散射之间的平均间隔时间) 成正比,与自由载流子的有效质量m 成反比。有效 质量州与电子质量不同,它计入了周期性势场对电子的影响,与材料有关,不 易改变。驰豫时间l - 与温度、杂质浓度、缺陷密度、晶粒尺寸都有关系。杂质、 缺陷和晶界缺陷少,则驰豫时间就越长。自由载流子很少( n c 0 ,a “禾c - m * e ,a w 所 9 0 ) 且电阻率尽量小( 1 3 1 俨q e m ) ,并具有低的粒子数和良好的均 匀性( 士5 1 ,以及与衬底或彩色滤色膜有较好的粘结性和良好的稳定性等有点, 其在t c o 薄膜中最为常用。f p d 产品的不断发展,引起i t o 薄膜产量的迅速增 长,而新型的f p d 技术应用要求t o 薄膜沉积在热敏高分子或柔性基板或高分 子基彩色滤光片上,因此必须加强研究低温制备技术。 1 3 2 t c o 在太阳能电池方面的应用 太阳能作为一种清洁、可再生能源,而太阳能光伏电池因为实现了直接将太 阳能转化为电能而受到世界各国的重视。至2 0 1 0 年,美国百万屋顶计划的城市 将达到3 2 5 个,太阳能建筑物达1 0 1 4 千个,屋顶当量系统为4 k w ,光伏总容量 为6 1 0 m w ,对应的二氧化碳减少量为6 6 3 千吨( 2 0 0 0 2 0 1 0 年二氧化碳减少总 量可达1 0 5 2 4 干吨) ;日本是太阳能电池发展最快的国家,2 0 0 3 年生产量 ( 3 6 3 9 1 m w ) 已d i 世界总量( 7 4 2 2 8 m w ) 的4 9 ,到2 0 1 0 年,其太阳能电池能量 估计将占世界总量( 4 8 2 0 m w ) 的2 5 ;我国太阳能资源丰富,“积极发展新能源, 改善能源结构”已列入我国2 0 1 0 年远景目标之中,我国农村已安装光伏发电总 功率为8 5 3 k w ,至2 0 1 0 年总量将达1 2 9 m w 。为配合上海世博会,上海将建十 万屋顶工程( 累计1 0 0 m w ) i l ”。 目前研究的太阳能电池种类有:单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非 晶硅薄膜太阳能电池、化合物太阳能电池和叠层太阳能电池。如何降低投资光伏 系统成本、进一步开发光伏能源的全球市场成为最主要问题。而其中一种途径就 是开发低成本的t c o 基非晶硅太阳能电池,如氢化非晶( a - s i :h ) 或微晶( 印s i :i - i ) 硅及其合金 1 3 - i s l 太阳能电池。这些t c o 应用于太阳能电池时具有以下显著特征; ( a ) t c o 薄膜对太阳光辐射高的透射率,确保太阳辐射直接进入激活区域造成无 或少衰减,因此提高了电池对太阳光谱中高光子能量的敏感性;( b ) 因为只需较 低结合温度使制备工艺更简单操作;( c ) t c o 薄膜连接处具有低的电阻率,同时 可作为减反射膜提高效率【l j 。 图i - 3 所示为硅薄膜p i - n 太阳能电池( a s i :h 或衅一s i :h ) 横截面示意图,上 层t c o 薄膜作为透明电极,下层作为背反射体。作为透明电极,t c o 具有可见 光高透射性以及高的导电性。图i 3 中,可让s i 层沉积的t c o 的透明基板( 如 玻璃) 上,可以让入射光进入硅吸收层并具有强的散射性,而且,在t c o 上生 长的硅的物理化学性能较好。t c o 需要置于富氢等离子被钝化或形成纳米或微 晶结构的成核层来发挥其独特的性能。在所有硅薄膜太阳能屯池中,硅吸收层可 塑里皇三竺主兰堡堡兰垄翌呈皇墨些望翌堕竺型墨兰里耋丝! 兰墨 分为相邻的两层。这两层对入射光具有不同的折射率和俘获性,发生在吸收层与 t c o 薄膜表界面的光散射是获得高能效的最关键的因裂“】。一方面吸收层最多 只有几微米,入射光通过一次散射后在层内无法完全被吸收;另一方面为了减少 光吸收的时间以及对无机硅的劣化作用,硅吸收层的膜厚应尽量薄。因此,无机 或微晶硅薄膜太阳能电池采用纳米纹理结构的前层t c o 电极( 均方根表面粗糙 度4 0 1 5 0n m ) 和纳米纹理化的背反射层可以提高光散射效应。理想情况下,这 些粗糙层几乎完全扩散透射光或反射光,这对t c o 的沉积工艺提出了更高的需 求。 一 i m t d a a t h g 吲 走 s u p e r s l r a t a 气 j - b 点, 兰塑匕o e 敝 i s i n o r 黪鬻 鏊鍪翟荔澎潞滋镒逝凌溢越戳篮镒避熬绱蛾盏必遴 f t g u r e1 - 3s c h e m a t i cs k e t c ho ft h ec r o s ss e c t i o no fas i h c o nt h mf i l mp - i 。ns o l a rc e l l ( a - s 1 h a n d o r 肛- s t :h ) w t t hr o u g hi n t e r f a c e s t h i c k n e s s e so f t h ei n t h v l d u a ll a y e r sa r et y p i c a l v a l u e s t h ec o b c e p to fl i g h tt r a p p i n gi si l l u s t r a t e db yt h ea r r o w sr e p r e s e n t l n gl n c e m m g a n ds c a t t e r e ds u bh g h t d f f f e r e mh g h tp a t h sa n ds c a t t e n n ge v e n t sa r cs k e t c h e d t c o 除了透明电极作用,也可以作为硅层与金属层之间的背反射层提高光 学性或扩散阻挡层【1 9 1 ;可以应用在a - s ir i - i “c s i :h 串联太阳能电池【2 0 】上下层之间 作为中间反射层【2 1 0 2 】:纳米级租糙t c o 也可以作为t c o s i 界面有效的抗反射膜。 总之,t c o 是硅薄膜太阳能电池结构中不可缺少的组成元件,对目前所取得的 无机或微晶太阳能电池发展具有决定性的作用。为了获得材料最好性能参数必须 考虑多维沉积方法,而且优化t c o 薄膜的沉积技术是一个复杂的难题。 1 3 3 t c o 在其他方面的应用 电致变色窗方面:利用t c o 对可见光的透射率和对红外线的反射率可以用 外加电压或电流来控制( 电致变色) ,或者根据温度或入射光的变化自动调节( 热 致变色或光致变色) 的特性,可以制成能够减少建筑物的加热、冷却和照明负荷 的窗口,这种窗称为s m a r t 窗1 0 2 3 也5 1 。改窗可在通以小电压( 1 5 v ) 发生漂白( 光 透射率 6 0 ) 和着色( 光透 8 5 ,膜 厚必须 g o2 52 11 9 9 0 3 7 d c m s s n 0 2 - 1 n 2 0 ,( 1 0 w t ) 4 0 0 i3 4 i o5 4 291 9 9 2 3 0 d c m s s n - 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