氧化锌(ZnO)薄膜的性能分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所表面工程技术国家级重点实验室 作者:赵印中

        ZnO具有熔点高、制备简单、沉积温度低和较低的电子诱生缺陷等优点。硅基生长的ZnO 薄膜有希望将光电子器件制作与传统的硅平面工艺相兼容。另外,在透明导电膜的研究方面,掺铝ZnO 膜(ZAO)也有同ITO 膜可比拟的光学电学性质,可在光电显示领域用来作为透明电极。

        ZnO薄膜的高电阻率与单一的C 轴结晶择优取向决定了它具有良好的压电常数与机电耦合系数,可用作各种压电、压光、电声与声光器件。具有中等大小电阻率的ZnO 薄膜是一种n 型半导体,其与一种适宜的p型半导体相结合可以在太阳能光电转换领域中作为一种异质结。

        因具有电阻率随表面吸附的气体浓度变化的特点,ZnO 薄膜还可用来制作表面型气敏元件。通过掺入不同元素,可应用于还原性酸性气体、可燃性气体、CH 族气体探测器、报警器等。此外,它还在蓝光调制器、低损失率光波导、液晶显示、光催化、电子摄影机、热反射窗等领域具有潜在应用。

1、氧化锌(ZnO)薄膜的光学性能

        ZnO 薄膜在可见光范围内光透射率高达90%,可以用作优质的太阳电池透明电极,然而它在紫外(UV)和红外(IR)光谱范围内透射率都比较低,这一性质被用作相应光谱区的阻挡层。

        图3 是沉积ZnO 薄膜的样品与其基材石英玻璃片透射率的比较,内插图为400~750 nm 的可见光范围的结果比较。可以看出,在410~750 nm 的区间内,沉积ZnO 薄膜的样品,其透射率均大于石英的透射率,最大可提高2.3%。由此可知制备出的ZnO 薄膜已经在一定程度上起到了增透膜的效果,这一结果有望在太阳能电池中得到应用。

氧化锌(ZnO)薄膜的光学性能

        图4 是Al 掺杂ZnO(ZAO)薄膜作为透明导电膜的透射光谱和红外反射谱。作为透明导电薄膜的一个显著特性是在红外段的高反射率,能反射大部分的热辐射能量。将其应用于电子器件中,可避免电子器件吸收太多能量而造成升温过快、过高,影响使用效果。

氧化锌(ZnO)薄膜的光学性能

2、氧化锌(ZnO)薄膜的电学性能

        由于ZnO 薄膜中存在本征施主缺陷,如间隙Zn 原子、O空位等,使得ZnO 薄膜天然呈弱n 型导电。因此ZnO 薄膜的电阻率一般较高,在10-2 Ω·cm 数量级。但通过调整生长、掺杂或退火条件可形成简单半导体薄膜,导电性能大幅提高,电阻率可降低到10-4 Ω·cm 数量级。

        图5 是Al 掺杂ZnO 薄膜的电阻率、电子密度和电子迁移率与(ZnO)1-x ( Al2O3)x 陶瓷靶材(x=w(Al2O3 )= 0、0.01、0.02、0.05)中Al2O3 质量分数的关系曲线[5]。可以看出,Al 掺杂ZnO 薄膜的电阻率随靶材中Al 掺入量的增加呈现先减小后增大的特征,说明适量的Al 掺杂可以获得导电性能较好的n 型Al 掺杂ZnO 薄膜。Al 掺杂ZnO 薄膜的电阻率最低为7.85×10-4 Ω·cm,这可归因于该Al 掺杂ZnO 薄膜同时具有高电子浓度和较高电子迁移率。

氧化锌(ZnO)薄膜的电学性能

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