直流磁控溅射法低温制备GZO:Ti薄膜及其光电性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)山东理工大学理学院 作者:郭美霞

  用直流磁控溅射法在玻璃衬底上成功制备出了钛镓共掺杂氧化锌(GZO:Ti)透明导电薄膜,研究了溅射压强和功率对GZO:Ti薄膜的微观结构和光电性能的影响。研究结果表明,所制备的GZO:Ti薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有c轴择优取向。溅射压强和功率对薄膜的电阻率和微观结构均有显著影响。随功率增大,薄膜电阻率降低,生长率增大。所制备的薄膜的最小电阻率为1.81×10-4Ω·cm,可见光区平均透过率大于84%。

  关键词:GZO:Ti薄膜;透明导电薄膜;溅射压强;溅射功率;磁控溅射

  掺锡氧化铟透明导电薄膜(ITO) 在光电池和液晶显示等方面已得到了广泛的应用。由于铟属贵金属, 自然界储量少, 产品成本高, 且有毒, 一些研究者已把研究方向转向其它材料。氧化锌基透明导电薄膜以其原料丰富、性能优越、无毒等优点, 引起研究者关注。为了提高ZnO 薄膜的光电性能, 或改善薄膜在酸碱环境中的化学稳定性, 在氧化锌中单元素地掺杂, 如Al, Zr, Ti, Ga 等, 或Zr-Al, T-i Ga, A-l Mn等两种杂质共掺, 已越来越引起人们的研究兴趣[1-9] 。文献[8] 介绍了钛和镓的掺杂量各占最佳掺杂量的一半时的共掺杂情况, 其最小电阻率为2118 @ 10- 4 8#cm。本实验中镓的掺杂量3% 为最佳掺杂量[ 6] , 钛的掺杂量仅占015%, 目的是通过掺微量的钛来改善掺镓氧化锌( GZO) 的性能, 获得光电性能优良的钛镓共掺杂氧化锌( GZOBTi ) 透明导电薄膜。

  制备透明导电薄膜的方法很多, 其中磁控溅射法是目前工业上应用较广的一种镀膜方法。在沉积条件不变的情况下, 溅射压强或功率的改变会影响薄膜的厚度、结晶质量, 从而影响了薄膜的结构、光电性能。本文采用直流磁控溅射法在玻璃衬底上低温制备出了GZOBTi 透明导电薄膜。讨论了溅射压强和功率对GZOBTi 薄膜结构、表面形貌、光电性能的影响。实验所获得GZOBTi 薄膜样品的最小电阻率为1181 @ 10- 4 8#cm, 在可见光区范围( 400~760 nm) 内平均透过率大于84% , 具有良好的光电性能。

GZOBTi 薄膜的制备

  实验采用JGP500C2 型高真空多层膜磁控溅射系统在室温水冷玻璃衬底上制备GZOBTi 薄膜。所用陶瓷靶材是从合肥科晶材料技术有限公司订购,由纯度为99199% 的ZnO, Ga2O3 和TiO2 粉末经高温烧结而成, 其质量分数分别为9615% , 310%, 015% 。系统的本底真空度为510 @ 10- 4 Pa, 沉积时间为30min, 基片与靶材的距离为60 mm。溅射所采用的气体为991999% 的高纯氩气, 溅射镀膜时氩气流量为30 cm3/min。为了研究溅射压强和功率对薄膜结构、性能的影响, 溅射时功率分别定为80 和60 W,溅射压强从119 Pa 增加到915 Pa, 制备了10 个不同的薄膜样品。薄膜大小约25 mm @ 50 mm, 比较均匀, 膜厚为116~ 374 nm。衬底为普通玻璃, 在放入溅射室之前先后经过丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗, 再经红外干燥后装入溅射室。

样品测试

  用SDY-4 型四探针测试仪室温下测量薄膜的方块电阻R, 用SGC-10 型薄膜测厚仪( 测量精度< 1nm) 测量薄膜的厚度d , 薄膜的电阻率根据公式Q=Rd 计算得到, 用TU-1901 型双光束紫外可见分光光度计测量薄膜的光学透过率( 测量范围260~ 900nm) , 用FEI Sirion 200 型热场发射扫描电子显微镜(SEM) 观察薄膜的表面形貌, 用D8 ADVANCE 型X射线衍射(XRD ) 仪( CuKA1 靶, 射线源波长为0115406 nm) 测试薄膜的衍射谱。

  采用直流磁控溅射法在玻璃衬底上低温制备出了GZOBTi 透明导电薄膜。研究结果表明: 所制备的GZOBTi 薄膜为六角纤锌矿结构, 溅射压强和功率对薄膜的晶体结构、表面形貌、光电性能均有很大影响。当溅射压强为715 Pa , 功率为80 W 时, GZOBTi 薄膜的电阻率具有最小值1181 @ 10- 4 8#cm, 可见光区平均透过率大于84%, 具有良好的光电性能。GZOBTi 透明导电薄膜因其具有较高的可见光透过率和较低的电阻率, 在液晶显示器、薄膜太阳能电池等方面具有广泛的应用前景。

  Abstract: The Ga-Ti co-doped zinc oxide(GZO∶Ti) films were deposited by DC magnetron sputtering on glass substrates.The impacts of the growth conditions on microstructures and properties were evaluated.The GZO∶Ti films were characterized with X-ray diffraction,scanning electron microscopy and conventional probes.The results show that the sputtering power and pressure strongly affect the microstructures and resistivity of the hexagonal wurtzite-phased polycrystalline films with a preferential orientation in c-axis.For example,as the sputtering power and deposition rate increased,its resistivity decreased.The lowest resistivity of the GZO∶Ti film,grown under the optimized conditions,was found to be 1.81×10-4 Ω·cm,with an average transmittance of above 84% in the visible range.

  Keywords: GZO∶Ti films,Transparent conducting films,Sputtering pressure,Sputtering power,Magnetron sputtering

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