射频磁控溅射制备GZO透明导电薄膜及退火处理对其性能的影响研究

摘要

ZnO-TCO薄膜作为一种新型直带隙宽禁带（3.37eV）半导体材料，因其原料丰富、廉价、环保且性能稳定有望取代ITO和FTO应用于太阳能电池、平板显示、气敏传感器等光电器件领域，具有广阔的商业应用前景。而本征 ZnO的导电性能极差，为获得光电性能较佳且性能稳定的 ZnO薄膜，往往可以通过元素掺杂进行改善。近几年，国内外科研工作者在这方面取得了可喜的成绩。常用的 p型掺杂元素有 N、P、Li等，n型掺杂元素有Al、Ga、In等，目前，以Al掺杂的ZnO薄膜（AZO）研究较为成熟，光电性能最佳。相对而言，对Ga掺杂ZnO薄膜（GZO）的研究报道较少。与AZO薄膜比较，Ga的离子半径较大，更接近Zn的离子半径，可以减小掺杂引起的晶格畸变；同时GZO薄膜的抗氧化性强，性能更稳定。
　　本文采用射频磁控溅射设备在石英基片上沉积GZO薄膜，分别研究了溅射工艺（靶间距、溅射功率和溅射气压）以及后期快速退火热处理对 GZO性能的影响。实验样品通过X射线衍射仪（XRD），X射线色散能量谱仪（EDX）、扫面电子显微镜（SEM）、四探针电阻仪以及紫外-可见光分光光度计等对GZO薄膜的微结构、化学成分、光电性能等进行表征。通过研究发现：
　　（1）通过设计靶间距、溅射功率以及溅射气压的正交试验，我们发现：影响磁控溅射制备的 GZO薄膜光电性能的主次顺序为：靶间距＞溅射功率＞溅射气压。同时发现，随着靶间距的增大，GZO薄膜的光电综合性能不断下降；随着溅射功率的增大，其光电综合性能先上升后下降；溅射气压和溅射功率有着相同的规律。最优工艺参数为：靶间距50mm、溅射气压1Pa，溅射功率200W。
　　（2）基于正交试验结果的基础上具体研究了溅射功率对GZO薄膜的影响，通过分析发现：溅射功率变化并未影响GZO沿（002）晶面的择优生长。随着溅射功率的增大，薄膜的晶粒尺寸不断变小，Zn/O原子数比不断变大，导电率不断上升，透过率先下降后略微上升，同时发现薄膜中存在较大的张应力。200W制备的GZO薄膜光电性能较价。
　　（3）通过对GZO快速退火处理我们发现：退火温度的改变和退火时间的延长并未影响 GZO沿（002）晶面的择优生长。但（002）峰衍射角发生明显的偏移，晶面间距变小，薄膜中的张应力转变为压应力。低温退火对 GZO的导电性能改善较大。退火温度的改变和退火时间的延长，透过率都普遍下降了。但退火处理 GZO薄膜的光电性能品质因子都较大的上升。退火时间2min较佳，退火温度300℃~400℃光电综合性能较好。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引 言

1.2 透明导电薄膜的分类

1.3 ZnO的晶体结构与性质

1.4 ZnO薄膜的应用前景

1.5 ZnO薄膜国内外研究现状

1.6 本课题的提出及研究内容

第二章 ZnO薄膜的制备方法和表征手段

2.1 薄膜的生长机理

2.2 ZnO薄膜的制备方法

2.3 ZnO薄膜的表征方法

第三章 ZnO:Ga薄膜的制备及最优工艺参数的探索

3.1 Ga掺杂ZnO薄膜的制备

3.2 磁控溅射制备GZO薄膜的最优生长工艺探索

3.3 溅射功率对薄膜的影响

3.4 本章小结

第四章 热处理对GZO薄膜性能的影响

4.1 热处理温度对GZO薄膜的影响

4.2 热处理时间对GZO薄膜的影响

4.3 章节小结

第五章 总 结

致谢

参考文献