溅射气压对Li-W共掺杂ZnO薄膜性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)景德镇陶瓷学院机械电子工程学院 作者:陈义川

  通过RF磁控溅射在不同溅射气压环境中,在石英衬底上制备得到Li-W共掺杂ZnO薄膜(LWZO) 。对样品进行X 射线衍射(XRD) 、扫描电镜(SEM) 、透过率以及电阻率的测试。结果表明:适当溅射气压环境下,有助于提高LWZO 薄膜的结晶质量; SEM 结果显示随着溅射气压增加LWZO 薄膜表面晶粒粒径更小,表面更平整; 薄膜的透光率保持在85% 左右。光致发光光谱表明:LWZO 的光致发光由本征发光及缺陷发光组成,结晶度高以及择优取向好,本征发光强度强。同时,薄膜的最低电阻率也达到了6. 9 × 10-3 Ωcm。

  氧化锌(ZnO) 是一种直接宽禁带氧化物半导体,晶体结构属于六角纤锌矿结构; 室温下其禁带宽度达到3.37 eV,激子结合能达60 meV,可以成为制备蓝光及紫外光电子器件的理想材料。同时,ZnO还可广泛应用于透明导电薄膜、平板显示器、太阳电池前电极、化学传感剂、表面声波器件及有机发光二极管等相关领域。通常情况下,未掺杂的ZnO 薄膜表现出n 型导电,这主要是由ZnO 薄膜内部的氧空位(VO) 、锌填隙原子(Zni) 等本征缺陷引起; 通过Ga,Al,W, In 等施主掺杂还可以实现对ZnO 薄膜内部载流子浓度的控制。钨(W) 作为高价元素,进入ZnO 薄膜内部可以形成更多的氧空位(Vo) ,增加载流子浓度; 同时,锂(Li) 可作为受主掺杂进入ZnO薄膜,可有效增加ZnO 薄膜电学性能的稳定性。本文主要在不同溅射气压制备得到Li-W 共掺杂薄膜(LWZO) ,分析了溅射气压对LWZO 薄膜的结晶性能、表面形貌、光学性能的影响以及电学性能的影响。

  1、实验

  本实验以石英玻璃为衬底采用射频磁控溅射法,在衬底温度为100℃,不同溅射气压条件下沉积LWZO。所用的材料:靶材( Li-W 共掺ZnO 陶瓷靶:99. 99%,摩尔比:ZnO∶ Li2O∶ WO3 = 97. 5∶ 1. 5∶1) ,溅射气体Ar∶ 99. 99%。靶基距: 70 mm;背景压强:5 × 10 - 4 Pa; 工作气压为1 Pa,气体总流量为30.0 mL /min( 标准状态) (Ar) ,溅射功率为250 W,溅射沉积时间:60 min;在沉积LWZO 薄膜前预溅射15 min,保证靶面清洁。分别得到1# 样品LWZO 薄膜(0.6 Pa) ,2# 样品LWZO 薄膜(0.8 Pa) ,3# 样品LWZO 薄膜(1.0 Pa) ,4# 样品LWZO 薄膜(1.2 Pa)以及5#样品LWZO 薄膜( 1.4 Pa) 。

  LWZO 薄膜的晶体结构分析,采用的是德国Bruker 公司的D8Advance 型X 射线衍射仪( XRD) 。测试条件:Cu 靶Kα 辐射,管电压40 kV,电流40mA,λ = 0.15418 nm,扫描步频0.02°,扫描范围10°~60°。采用FEI QuanTA-200F 型环境电子显微镜( ESEM) 观察LWZO 薄膜的表面形貌和结构。采用Backman-Du 8B 型紫外-可见分光光度计测量LWZO薄膜的光学透过率。所有LWZO 薄膜的电阻率采用四探针电阻率测试仪测定。样品的光致发光(PL) 光谱用Hitachi F-7000 型荧光分光光度计测定,激发源为150 W 的Xe 灯,激发波长325 nm。所有测试均在室温下完成。

  3、结论

  采用RF 磁控溅射法在石英衬底上制备得到LWZO 薄膜,并且着重研究了薄膜的结晶性、表面形貌、光学透过率以及薄膜的电阻率。通过XRD 可知,随着溅射气压的增加,得到的LWZO 薄膜结晶度先增加后减小,同时(002) 和(100) 峰的2θ 值向小角度移动。SEM 结果显示随着溅射气压增加LWZO 薄膜表面晶粒粒径更小,表面更平整。在400 ~1200 nm 波长范围内,LWZO 平均透过率达到85%以上。室温PL 分析发现,LWZO 薄膜样品的发光由本征发光及缺陷发光组成。溅射气压在1.0 Pa左右,LWZO 薄膜的本征发光强度明显增强,说明适当的溅射气压有利于提高薄膜的结晶质量以及薄膜的择优向生长。随着LWZO 薄膜结晶性的增加,薄膜的电阻率也显著下降。

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