Ga掺杂ZnO透明导电薄膜的制备及性能研究

发布时间：2020-02-11 23:32

【摘要】：科技的进步使得轻薄显示面板成为发展的趋势,透明导电薄膜(TCO)作为显示面板元件的重要组成部分,也成为近年来薄膜材料研究的热点。高质量的TCO薄膜须在可见光范围内具有较高的光学性能(透过率大于80%)及良好的导电性(电阻率低于10-3??cm)。目前在气敏传感器、发光二极管、太阳能电池及液晶显示器等领域广泛应用的Sn掺杂In2O3(ITO)薄膜由于In资源短缺而不得不开发有效替代品。由于本征ZnO的导电性较差,通常掺杂Ⅲ族元素,如B3+、Al3+、Ga3+等,以提高其导电性及稳定性。在掺杂ZnO薄膜材料中研究最热的以Al元素及Ga元素为主,由于Ga3+的离子半径与Zn2+的离子半径最为接近,Ga-O键与Zn-O键相差不大,且GZO薄膜中残余内应力较AZO更小等优点。目前,GZO薄膜的理论研究还不够完善,有必要对其进行深入研究。本文以石英玻璃为基底,采用FJL560D2型射频磁控溅射法通过改变溅射气压、功率和基底偏压等不同溅射工艺制备了高质量GZO薄膜;在溅射后探讨不同退火温度对GZO薄膜的性能差异;并在传统磁控溅射系统引入外加磁场,探讨不同磁场强度对GZO薄膜的各项性能影响;使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-分光光度计(UV-vis)、四探针测试仪及霍尔测试仪等分析方法系统地研究了薄膜微观结构、表面形貌和光电性能的变化规律。实验和分析表明:1.所制备GZO薄膜为六角纤锌矿多晶结构,且在(002)晶向沿C轴择优取向,适当提高溅射功率能够增大薄膜的晶粒尺寸,提高其结晶质量,使薄膜表面更加平整、致密;2.溅射功率对制备的GZO薄膜影响较大,当溅射功率为150 W时薄膜的结晶质量最佳,平均透过率超过85%,电阻率最低达到6.8×10-3??cm。溅射功率在一定范围内增大时,薄膜的晶粒尺寸增大,结晶性能更好,内部缺陷和晶界对自由电子的散射较弱,在相同条件下,载流子的迁移率较高,薄膜的导电性也更好。3.基底偏压未改变薄膜的生长方式,所有薄膜均在(002)晶面择优取向,且(002)衍射峰的强度随着基底偏压的增加而增强,其晶粒尺寸也随之增大,晶体的结晶质量得到提高,当基底偏压为150 V时,薄膜的透过率达到96%,电阻率也降至最低为4.55×10-4?·cm。4.400℃-800℃退火温度范围内对GZO薄膜的生长方式影响较小,所制薄膜均在(002)晶向沿C轴择优取向,退火温度对薄膜表面形貌影响较大,退火温度为600℃时,薄膜表面致密、平整,结晶质量最好,薄膜的透过率超过95%,电阻率最低为4.9×10-4?·cm。5.外加磁场强度对薄膜的晶体结构影响较小,所制得的GZO薄膜结构均为六角纤锌结构且在(002)方向沿C轴择优取向;然而对薄膜的光电性能具有较大影响,在可见光范围内,薄膜的平均透光率超过93%,光学能隙均比本征Zn O的能隙要宽,即出现了“Moss-Burstein”效应现象;薄膜的电学性能得到提升,其电阻率从4.96×10-3?·cm降至3.17×10-4?·cm,霍尔迁移率从7.36 cm2(V·S)增至9.53 cm2(V·S)。
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2

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本文编号：2578616