低温磁控溅射制备高性能AZO薄膜研究

发布时间：2019-11-09 20:13

【摘要】：磁控溅射制备氧化物薄膜时,氧原子很容易得到电子而形成负氧离子(O-),这些负离子在靶材的表面形成并被放电电压加速。它们可以获得很高(几百电子伏特)的能量,并轰击正在沉积的薄膜,对薄膜造成严重的破坏,例如反溅射、组分变化和结构缺陷等。这些损伤对于材料的电学性能来说往往是最具有破坏性的,因为电子对于晶体结构的完整性非常敏感。透明导电氧化物(TCO)薄膜就是其中一类重要的材料。透明导电氧化物薄膜在太阳能电池、平板显示和触摸屏等技术中发挥着十分重要的作用。其中,ZnO:Al(AZO)因其优异的光电学性能、易刻蚀以及丰富的原材料等优点,被公认为是取代In_2O_3:Sn(ITO)的最佳候选者。但是,由于负氧离子的存在,导致了AZO薄膜在磁控溅射沉积,尤其是低温时工艺的不稳定、结果难以重复以及较难制备大面积均匀具有优异光电性能的薄膜。为了降低高能O-对薄膜的轰击,最直接有效的方法就是降低放电电压(|V_d|),这在以前的研究中已经被证实。但这些研究中的|V_d|依然在100 V以上,也就是O-的能量100 eV,仍然高于ZnO的缺陷生成能(50~60 eV)。我们通过改变等离子体的激发方式,利用更有效的能量传递形式—高频射频耦合直流放电,产生高密度的等离子体,从而有效的降低AZO靶上的放电电压到极低值(40 V)。在如此低的|V_d|区域,我们系统地研究了薄膜的制备工艺、薄膜的结构和薄膜的光电性能三者之间的关系。并将我们的结果和以前的研究成果进行了比较,对其中一些共同的问题,如载流子的产生和输运性质等进行了讨论。主要的研究成果和结论如下:(i)负离子的双面作用。首次发现并报道了在|V_d|降低到100 V以下的区域,O-在薄膜生长过程中有正面作用,即对薄膜有致密化的效果,这和以前人们一直认为的O-在AZO沉积中只会起到负面作用不同;在|V_d|100 V区域,O-依然有致密化的作用,但同时产生了许多轰击损伤,包括:点缺陷(如间隙原子-空位对),晶粒减小,晶粒取向发生改变等,这些缺陷会极大的降低载流子的浓度和迁移率;(ii)通过对比磁控溅射和脉冲激光制备的AZO薄膜,我们发现磁控溅射沉积的样品的载流子浓度普遍偏低。可能的原因在于两类工艺中沉积原子的能量差别,由于Al置换Zn为亚稳态结构,磁控溅射方法中的Al原子的激活比在PLD工艺中要困难;(iii)低电阻率的AZO薄膜拥有以下几个共同的结构特征:完全的(002)晶粒取向,无应变的晶格常数(d002接近dbulk)以及较好的结晶质量。(iv)通过对靶电压、基片偏压、溅射气压以及靶基距等工艺参数的调节,我们发现负氧离子的能量对AZO薄膜的结构影响最大,其次是负离子的通量,然后是正离子的能量,气压和靶基距有一定的影响但影响不大。经过我们的工艺理解和优化,可以在没有人为加热的玻璃衬底上得到电阻率为~2.6×10-4Ωcm,霍尔迁移率为~37 cm2/(V s)的大面积样品。并且,该工艺可以移植到PET衬底上来。我们的研究结果对于低温磁控溅射制备TCO薄膜都有非常重要的科学意义和工程意义,对于其它氧化物的制备,尤其是结构调控方面也有重要的借鉴意义。
【图文】：

)和氧化锌(ZnO)基三大基本体系。由于他们的本征电学性质不能满足应用的要求，人们往往需要通过掺杂对其进行改善，掺杂后的电阻率的发展趋势如图1.1所示。其中锡掺杂氧化铟(In2O3: Sn,ITO)、氟掺杂氧化锡(SnO2: F, FTO)和铝掺杂氧化锌(ZnO: Al, AZO)是其中应用和研究最为广泛的三种材料。图 1.1 三种 TCO 薄膜材料电阻率的发展趋势[1]Fig. 1.1 Reported resistivity of impurity-doped binary compound TCO films.在这三种材料中，ITO 凭借着良好的光电性能和容易制备等优点，成为透明导电材料市场的主流，，约占总的市场份额的 94%[1-3]。但是，随着人们对光电器件的要求越来越高、需求量越来越大，ITO 的一些弊端也逐渐显现出来。比如原材料金属铟(In)的资源稀缺，全球约有 80%的金属铟用于来生产 ITO 靶材。除此之外，人们发现 ITO 在氢等离子体中不稳定

用与要求电子器件中的关键材料，除了可以在智能型窗口，如静电涂层及防电磁干扰透明窗等中发挥作用外，最触摸屏和平板显示等三大电子信息产业。能电池用最成功的一个领域是铜铟镓硒(CnIn1-xGaxSe2, CIGS阳能电池具有高光吸收系数、高转化效率、高稳定是最有前途的第三代薄膜太阳能电池[4-6]。其结构示意作为减反射层和透明电极使用，可以改善太阳能电反层时，需要增加入射光在太阳能电池吸收层中的过的透光率、表面的粗糙度以及结晶性能等都会影响电极时，其电阻率的大小也会影响电子的传输。所以变得非常重要。
【学位授予单位】：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2

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本文编号：2558648