自由基輔助磁控濺射制備ZnO：Al透明導電薄膜的研究.pdf

1、太陽能電池、平板顯示和觸摸屏等技術的出現與快速發(fā)展對透明導電氧化物薄膜材料提出了越來越多且越來越高的需求。ZnO∶Al(簡稱AZO)透明導電薄膜因其優(yōu)異的光電學性能、豐富廉價的原材料來源以及環(huán)境友好等特點引起了業(yè)界的廣泛關注，被公認為是取代In2O3∶Sn(簡稱ITO)透明導電薄膜材料的最佳候選者。隨AZO薄膜在薄膜型太陽能電池上的實用化以及金屬銦作為ITO薄膜原材料的供需缺口的日益增大，AZO薄膜逐漸步入工業(yè)化生產的階段。
　　

2、 本文使用AZO陶瓷靶、金屬鋅靶、鋁靶及鋅鋁合金靶等靶材在日本Shincron公司生產的RAS-1100C大型自由基輔助磁控濺射設備上濺射制備ZnO及AZO薄膜，研究薄膜的電學、光學、微結構、應力、禁帶寬度、折射率等物理性能隨濺射參數的變化；針對AZO陶瓷靶濺射過程中靶材前方固定襯底上濺射沉積的AZO薄膜中電阻率等多項物理性能出現空間分布不均勻的現象展開了系統的研究，發(fā)現濺射過程中產生的高能氧負離子的轟擊注入效應是使AZO薄膜物理性能

3、出現空間分布不均勻的根本原因；針對金屬靶濺射過程的復雜性研究了金屬鋅靶濺射制備鋅氧化物薄膜過程中薄膜的微結構形貌及結晶性能隨濺射功率以及氧化區(qū)氧氣流速的變化，并對比研究了濺射區(qū)內的高能氧負離子轟擊造成的反濺射現象；同時本文還結合薄膜在空氣及氫氣氣氛下的退火實驗結果對薄膜中各種缺陷的狀態(tài)展開了討論，力圖揭示薄膜中各種缺陷的狀態(tài)對薄膜性能的影響，從而為濺射制備性能更加優(yōu)良的AZO薄膜打下基礎。
　　 通過對比性實驗研究，本文主要得到

4、了以下結論和成果：
　　 1、通過對AZO陶瓷靶濺射參數的優(yōu)化在RAS圓鼓上沉積得到電阻率達2.4×10-3Ω·cm，載流子濃度為2.49×1020 cm-3，遷移率為10.5cm2V-1s-1，550nm波長處的透過率為85％的AZO薄膜樣品；
　　 2、觀察到靶前不同區(qū)域處固定襯底上沉積的AZO薄膜的電阻率、載流子濃度、遷移率等多項物理性能出現明顯的空間分布現象；靶材濺射溝道正前方沉積的AZO薄膜電阻率最高達2.2×

5、10-2Ω·cm，而兩塊靶材中間非濺射區(qū)域前方沉積的AZO薄膜的電阻率則可低至4.9×10-4Ω·cm，兩者相差達45倍左右。
　　 3、通過XPS、XRD等表征發(fā)現高能氧負離子轟擊注入效應是靶前電阻率空間分布不均勻的根源。氧負離子源于濺射過程中晶格氧以負離子的形式析出，在靶材負電壓電場加速下獲得很高的能量轟擊到襯底上面，造成薄膜中的晶粒損傷，抑制薄膜沿(0002)方向上的高度取向生長，并且在薄膜中引入大量氧填隙缺陷。大量的氧填

6、隙缺陷俘獲薄膜中的自由電子載流子，并造成晶格畸變，增加薄膜中的中性雜質散射，從而引起薄膜載流子濃度及遷移率降低、電阻率升高。
　　 4、RAS圓鼓上沉積的薄膜的性能是各區(qū)域沉積薄膜性能的平均結果。濺射參數主要通過影響氧負離子轟擊注入效應的強弱以及薄膜的結晶狀況好壞而影響在圓鼓上制備的AZO薄膜的性能。
　　 5、通過對RAS金屬鋅靶濺射制備鋅氧化物薄膜過程中的正向及反向沉積薄膜的研究觀察了鋅氧化物薄膜形貌及結晶狀態(tài)隨氧化

7、程度的演化，得到了薄膜微結構隨濺射功率及氧化區(qū)氧氣流速分布的相圖，分析了RAS金屬靶的典型濺射過程中濺射區(qū)內發(fā)生的物理過程，為濺射制備結晶性能優(yōu)良的AZO透明導電薄膜提供了物理依據。
　　 6、對比研究了各種金屬靶濺射過程中濺射區(qū)內生成的氧負離子造成的反濺射效應。研究表明反濺射效應不完全等同于高能氧負離子轟擊效應，還受到濺射區(qū)沉積薄膜薄層氧化程度的影響。反濺射效應降低了靶材的利用率并影響薄膜中的鋁含量，應該盡量予以避免。

8、　　 7、通過對比實驗研究了ZnO及AZO薄膜在空氣和氫氣中的退火效應并分析了氧填隙缺陷行為對薄膜性能的影響，進一步闡明了氧負離子轟擊注入效應影響薄膜物理性能的機制。另外還通過對比實驗分析、討論了RAS金屬鋅、鋁靶共濺射制備AZO薄膜性能受限的原因。
　　 8、通過氫氣500℃退火獲得電阻率為4.5×10-4Ω·cm、載流子濃度為5.15×1020cm-3、遷移率為24.6 cm2V-1s-1、550 nm波長處透射率為89％