Al-Sn共掺杂ZnO薄膜的结构与光电性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京航空航天大学材料科学与技术学院 作者:刘斌

  采用射频磁控共溅射法在玻璃衬底上制备出了Al 与Sn 共掺杂的ZnO(ATZO) 薄膜。在固定ZnO:Al(AZO) 靶溅射功率不变的条件下, 研究了Sn 靶溅射功率对ATZO 薄膜的结晶质量、表面形貌、电学和光学性能的影响。结果表明, 制备的ATZO 薄膜是六角纤锌矿结构的多晶薄膜, 具有c 轴择优取向, 而且表面致密均匀。当Sn 溅射功率为5 W 时, 330 nm 厚度的ATZO薄膜的电阻率最小为1.49 × 10- 3 欧.cm, 比AZO 薄膜下降了22%。ATZO 薄膜在400 ~ 900 nm 波段的平均透过率为88.92%, 禁带宽度约为3.62 eV。

  ZnO 薄膜是一种II-VI 族氧化物宽禁带多功能直接带隙半导体材料, 禁带宽度和激子束缚能分别为3.37 eV 和60 meV, 在半导体激光器、薄膜太阳电池、紫外探测器、薄膜晶体管以及平板显示器等领域具有重要的应用价值。虽然关于ZnO 薄膜的掺杂已经有诸多报道, 但是大部分的研究者都是通过IIIA族的某一种元素( 如Al、Ga、In 等) 掺杂来改善ZnO 薄膜的光电特性。在掺杂的ZnO 中, 特别是Al 掺杂的ZnO(AZO) , 在可见光部分表现出优异的透过率, 而且较高的电子迁移率也使其具有良好的电学性能。

  真空技术网(http://www.chvacuum.com/)在之前的文章中已经报道了其它元素和Al共掺杂对进一步改善薄膜性能的影响。Jiang 等采用射频磁控溅射法制备了Al 和Ti 共掺杂的ZnO薄膜, 研究发现Ti 的掺杂可以减小AZO 薄膜的电阻率, 但同时也引起AZO 薄膜的透过率发生下降, 制得共掺杂薄膜的最小电阻为7.96 × 10- 4 欧.cm, 可见光波长范围的平均透过率为75%。Teehan 等采用射频磁控共溅射法制备了In 和Al 共掺杂的ZnO薄膜并对其热电性能进行了研究, 结果表明In 的掺杂量对AZO 薄膜的功率因数有较大的影响, 当In 的掺杂量为2% 时, 其功率因数大约是AZO 薄膜的3倍。薛建设等用射频磁控溅射制备Al 和Zr 共掺杂ZnO 薄膜的最小电阻率8.4× 10- 3 欧.cm, 可见光段( 320 ~ 800 nm) 的平均透过率85%。袁玉珍等采用直流磁控溅射法系统地研究了溅射功率、Ar 气压强以及薄膜厚度因素对Al 和Zr 共掺杂ZnO 薄膜的影响, 制备出共掺杂薄膜的电阻率为2.39 × 10-3~ 1.01 × 10-3 欧cm, 在可见光区( 500~800 nm) 的平均透过率为91.3% ~ 95.6%。Yu 等采用直流磁控共溅射的方法制备了Al 和Ni 共掺杂的ZnO 薄膜, 主要研究了室温下薄膜的铁磁性和光电特性, 制得的薄膜最小电阻率为2× 10-3 欧.cm,

  可见光范围的平均透过率为75% 。另外, 已经有研究者报道了用Sn 掺杂ZnO 后还可以改善其场发射特性。但是, 对于Al 和Sn 共掺杂ZnO(ATZO)薄膜的研究却鲜见报道。

  本文利用射频磁控共溅射法即Sn 靶和AZO 靶同时溅射制备Al 和Sn 共掺杂的ZnO 薄膜。所制得的ATZO 薄膜均为六角纤锌矿结构, 而且表面致密均匀。ATZO 薄膜最小电阻率为1.49 × 10-3 欧.cm,比未掺杂Sn 的AZO 薄膜的电阻率大为下降, 所有的样品在400~ 900 nm 波长范围的平均透过率大于80% 。

结论

  (1) 采用射频磁控共溅射法制备了Al 与Sn 共掺杂的ZnO 薄膜, ATZO 薄膜具有六角纤锌矿结构和( 002) 的择优取向, 表面致密均匀; 当Sn 溅射功率为5 W 时, ATZO 薄膜的结晶质量最好。

  (2) ATZO 薄膜的电阻率随着Sn 溅射功率的增加先降低后升高, 当Sn 溅射功率为5 W 时, 330 nm厚度的薄膜具有最低的电阻率1.49 × 10-3 欧.cm, 与AZO 薄膜的电阻率相比下降了22% 。厚度约为836nm 的ATZO 薄膜电阻率为8.25 × 10-4 欧.cm。

  (3)ATZO 薄膜在400~ 900 nm 波段的平均透过率随着Sn 溅射功率的增加呈线性下降趋势, 但是所有样品的平均透过率均大于80% ; ATZO 薄膜的光学带隙随着Sn 溅射功率的增加先蓝移后红移。

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