薄膜厚度对ZAO透明导电膜性能的影响

1、第 36卷 第 4期2007年 7月 内蒙古师范大学学报 (自然科学汉文版 Journal of Inner Mongolia Normal University (Natural Science Edition Vol. 36No. 4J uly 2007收稿日期 :2006-12-20基金项目 :重庆市教委科研基金资助项目 (040810作者简介 :靳铁良 (1962- , 男 , 河南省新密市人 , 平顶山学院副教授 , 主要从事理论物理教学及凝聚态研究 .薄膜厚度对 ZAO 透明导电膜性能的影响靳铁良 1, 殷胜东 2(1. 平顶山学院 物理学与电气信息工程学院 , 河南 平顶山 46

2、7002;2. 重庆师范大学 物理学与信息技术学院 , 重庆 400047摘 要 :采用直流反应磁控溅射法 , 用 Al 含量为 2%的 Zn/Al 合金靶材 , 室温下在玻璃衬底上制备了 ZAO透明导电薄膜样品 . 在其他参数不变的情况下 , 由不同溅射时间得到不同的薄膜厚度 , 、 光学和电学性质随薄膜厚度的变化关系 . 制备的 ZnO :Al (002 构 , 电阻率为 5. 1×10-4 cm , 平均透射率达到 88%.关键词 :直流反应磁控溅射 ; ZAO 薄膜 ; 中图分类号 :O 484. 4:A :2 042204662204, 如低电阻率 、 高可见光透射率等 ,

3、 而被作为透明电极广 1. 尽管 ITO 薄膜在许多应用中占有主要地位 , 但 ZAO 薄膜 (ZnO :Al 由 于原材料丰富 、 制备简单 、 性能稳定 、 无毒 , 并具有可与 ITO 薄膜比拟的光学 、 电学性质 , 已成为一种重要的 光电子信息材料 , 被认为是新一代透明导电薄膜中最有前途的产品之一 . ZAO 薄膜的常用制备方法有化学 气相沉积法 2、 溶胶 -凝胶法 3、 脉冲激光法 4、 等离子体沉积法 5、 热喷涂法 6、 磁控溅射法 7-11等 , 利用这 些方法制备的优质 ZAO 薄膜的性能都能达到工业化生产的要求 .目前 , 直流反应磁控溅射法是制备 ZAO 透明导电膜

4、常用的一种方法 , 其优点是靶的纯度高 、 制作方便 、 造价低廉 、 薄膜沉积速率快 , 而且在室温下容易控制 , 可在不同性质的基片上镀膜 , 便于大面积成膜 . 本文在 室温下采用直流反应磁控溅射技术制备了 ZAO 透明导电膜 , 在溅射功率 、 氧分压 、 靶基距等制备参数保持 一致的条件下 , 研究淀积时间对薄膜厚度 、 结晶程度及薄膜的结构性质 、 光学和电学性能的影响 .1 实验条件及方法所有样品均在 TXZ600型磁控溅射镀膜机上制备 . 靶材为 Zn/Al 合金圆形平面靶 ,Al 的相对含量 2%, 本底真空度 6×10-4Pa ; 以载玻片为基片 , 靶基距 7c

5、m ; Ar 气和 O 2流量由流量计控制 , 压强分别为 0. 3Pa 和 0. 08Pa , 混合后由导管引到基片附近 ; 镀膜室总压强为 0. 38Pa , 溅射功率为 120W , 溅射时间为 5,15,25, 35min.实验中用可见光区的透射率和电阻率表征薄膜的光 、 电性能 , 薄膜厚度用美国生产的台阶仪检测 , 用 van de Pauw 方法分别获得薄膜的电阻率 、 载流子浓度和迁移率 . XRD 分析采用日本理学 D/max -RA 旋转 阳极 X 射线双晶衍射仪 , 可见光区的透射率用日本日立公司生产的 U -4100自动记录光谱光度计测试 . 所 有薄膜样品均在 Ar

6、气环境中退火处理 , 退火温度为 300 , 退火时间为 0. 5h.2 实验结果与讨论图 1为室温下在玻璃衬底上制备的不同沉积时间的 ZAO 透明导电膜 X 射线衍射谱 , 由图 1可见 , 随着 薄膜厚度的增加 , 薄膜的衍射强度增大 , (002 面衍射峰变得尖锐 , 这说明随着薄膜厚度的增加 , 薄膜的晶粒 粒度逐渐增大 , 晶化程度提高 . 另外 , 薄膜的衍射谱中只存在对应于 (002 面的一个衍射峰 , 这表明 ZAO膜 第 4期 靳铁良 等 :薄膜厚度对 ZAO 透明导电膜性能的影响 1X 衍射谱比较具有 (002 面的单一择优取向的多晶六角纤锌矿结构 , 其 c 轴垂直于衬底

7、 .利用电子扫描显微镜 (SEM 观察到的 ZAO 薄膜的表面形貌如图 2所示 , 图中给出淀积时间为 5,15,25,35min 时 , 玻璃衬底上生长的薄膜的表面形貌 . 随着淀积时间的延长和薄膜厚度的增加 , 可以明显看到玻璃衬底薄膜晶粒逐渐增大 , 晶化程度提高 , 薄膜表面变得非常致密 . 图 3给出了薄膜晶粒直径平均值随淀积时间的变化关系 .图 4给出薄膜厚度随淀积时间的变化关系 . 薄膜在衬底上并不是匀速生长的 , 开始前 5min , 薄膜生长速率较快 , 之后呈线性增长趋势 . 这是由薄膜的生长机理所决定的 , 因为在生长初期溅射粒子首先凝结成不致密的岛状结构 , 率较快 ,

8、 而随着溅射时间的延长 , 薄膜变得致密起来 , 匀地生长从而降低了生长速率 12. 图 2 不同沉积时间在玻璃衬底上得到的 ZAO 薄膜的电子扫描显微镜 (SEM 图像a 5min b 15min c 25min d 35min 图 3 晶粒直径随淀积时间的变化关系 图 4 薄膜厚度随淀积时间的变化关系 764 内蒙古师范大学学报 (自然科学汉文版 第 36卷 由于厚度效应的作用,随着薄膜厚度的增加 , 平均透过率呈下降趋势 , 如图 5所示 . 以膜厚 300nm 为例 (图 5曲线 b , 当淀积时间为 5,15,25,35min 时 , 薄膜在可见光范围的平均透过率分别为 93. 3%

9、,91. 1%, 88. 8%,80. 6%.薄膜电阻率随薄膜厚度的变化关系如图 6所示 . 由图 6可以看到 , 淀积时间小于 20min 、 薄膜厚度小于 750nm 时 , 随着薄膜厚度的增加 , 电阻率急剧下降 ; 薄膜厚度大于 750nm 时 , 薄膜电阻率缓慢下降 , 薄膜厚 度大于 900nm 时 , 薄膜电阻率呈缓慢上升趋势 . 这是因为随着厚度的增加 , 薄膜晶化程度的提高和晶粒尺寸 的增加弱化了晶界散射 , 提高了载流子的寿命和迁移率 , 使载流子浓度和迁移率都增加 , 从而薄膜电阻率降 低 . 当晶粒过大时 , 晶粒的取向变差 , 分散度和偏离度变大 , 晶界中的缺陷增多

10、 , 晶界势能增大 , 使部分载流子 被捕获 , 载流子浓度降低 . 同时 , 随着晶界散射和电离散射的增加 , 迁移率将趋于某一饱和值 , 因此薄膜的电 阻率不会无限下降 13. 当淀积时间为 25min 时 , 薄膜的电阻率达到最低 (5. 1×10-4 cm . 图 5 薄膜平均透射率与可见光波长的关系 图 6 薄膜厚度与薄膜电阻率的关系3 结论在室温下采用直流反应磁控溅射技术制备了 ZAO 透明导电薄膜 , 薄膜厚度和晶粒直径随淀积时间的 增加而增加 , 开始时 (前 5min 生长速率较快 , 之后呈线性增长趋势 . 薄膜晶化程度随淀积时间的增加而提 高 , 并导致薄膜电阻

11、率降低 . 当薄膜厚度小于 750nm 时 , 薄膜电阻率随着薄膜厚度的增加线性下降 , 薄膜厚 度大于 750nm 后 , 薄膜电阻率逐渐趋于饱和 . 薄膜在可见光范围的透射率随薄膜厚度的增加不断降低 . 室温 下 , 淀积时间为 25min , 薄膜厚度为 900nm 时 , 薄膜电阻率为 5. 1×10-4 cm , 在可见光区的平均透过率可 达 88%以上 .参考文献 :1 Joshi R N ,Singh V P ,Mcclure J C. haracteristics of indium tin oxide deposited by RF magnetron sputte

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14、t al. Preparation of Al doped ZnO thin films by RF thermal plasma evaporation J.Thin Solid Films ,2002,407:86-91.6 Nunes P. Performances presented by zinc oxide thin films deposited by spray pyrolysis J.Thin Solid Films ,1999,337:176-179. 864 第 4期 靳铁良 等 :薄膜厚度对 ZAO 透明导电膜性能的影响 7 李微 , 孙云 , 何青 , 等 . 孪生对

15、靶直流磁控溅射制备 ZnO :A I 薄膜及其特性研究 J.人工晶体学报 ,2006,35(4 :761-764.8 Hong R J ,Jiang X , Heide G ,et al. Growth behaviours and properties of the ZnO :Al films prepared by reactive mid f requency magnetron sputtering J.J Crystal Growth ,2003,249:461-469.9 Fang G ,Lia D , Yao B L ,et al. Fabrication and charact

16、erization of transparent conductive ZnO :Althin films prepared bydirect current magnetron sputtering with highly conductive ZnO (ZnAl 2O 4 ceramic target J .Journal of Crystal Growth ,2003,247:393-400.10 Y oo J ,Lee J , K im S ,et al. High transmittance and low resistive ZnO :Alfilms for thin film s

17、olar cells J.Thin SolidFilms ,2005,480-481:213-217.11 Wang W W ,Diao X G , Wang Z ,et al. Preparation and characterization of high performance direct current magnetronsputtered ZnO :Alfilms J.Thin Solid Films ,2005,491:54-60.12 曲喜新 , 过壁君 . 薄膜物理 M .北京 :电子工业出版社 ,1994:31-35.13 黄佳木 , 董建华 , 张新元 . ZnO :Al

18、(ZAO .(11 :7-11.ofConducting FilmsJ IN Tie liang 1, YIN Sheng dong 2(1. College of Physics &Elect ric I nf ormation Engineering , Ping dingshan Universit y , Ping dingshan 467002, Henan , China (2. School of Physics &I nf ormation Technology , Chongqing N ormal Universit y , Chongqing 400047

19、, China Abstract :The ZnO :Al films wit h different t hickness were depo sited on glass subst rates using a DC reactive magnet ron sp uttering system and t he t hickness dependence of st ruct ural , optical and electrical p roperties of t he ZnO :Alfilms o n glass subst rates were st udied in detail

20、. G ood films wit h resistivity as low as 5. 1×10-4 cm and 88%t ransmittance in t he visible region on glass were p repared.K ey w ords :DC reactive magnet ron sp uttering ; ZAO film ; film t hickness ; optical and electrical p roperties【责任编辑 陈汉忠】(上接第 465页 Identifying of Vein Body by Probbilit y To mograp hy App roach in Gravit yXU Ling zhou(Facult y of Physical S cience and Technolog y , China Universit y of Pet roleum , Dongy ing 257061, S handong , Ch