Al/Ga掺杂SnO2薄膜的制备及透明导电性研究

摘要

随着智能触屏手机、大尺寸平板显示器、太阳能电池的快速发展。透明导电氧化物薄膜（TCO）有着越来越广泛的应用，需求量也日益增加。TCO是一直把导电性和透光性结合在一起的功能性材料，氧化铟锡（ITO）是目前市场上最广泛使用的TCO薄膜材料。拥有良好的光学和电学性能，但是铟资源缺乏预计在未来50年消耗殆尽，且铟元素本身具有毒性，不适合长期的使用。因此，急需寻找新的薄膜材料体系来替代氧化铟锡（ITO）。 本课题采用新型远源等离子体溅射法（HiTUS）代替传统磁控溅射技术，分别在玻璃基底和单晶硅片上制备镓掺杂二氧化锡（GTO）和铝掺杂二氧化锡（ATO）薄膜材料。与传统磁控技术相比，HiTUS具有等离子能量密度高，薄膜沉积速率快，且制备的薄膜更加致密和均匀等优点。本文系统的研究了不同氧气流量和退火温度对薄膜光电性能的影响。对ATO和GTO薄膜样品的结构和性能进行了一系列的表征，用XRD（x-ray Diffraction）观察薄膜样品的结晶情况，SEM （Scanning Electron Microscope ）分析薄膜样品的表面形貌，TEM （Transmission electron microscope）来观察薄膜样品内部具有晶体结构，XPS （X-ray photoelectron spectroscopy）用来检测薄膜样品内部元素的价态。霍尔测试(Hall 8400)系统用来测试薄膜样品的电学性能，UV-Vis （Ultraviolet–visible spectroscopy）来测定薄膜样品的光学性能。研究结果如下： 铝掺杂二氧化锡薄膜 (1)热处理对Al-SnO2薄膜样品的晶体结构有很大的影响。在室温下，所制备的Al-SnO2薄膜材料有大量的非晶存在。当退火温度大于250℃时，Al-SnO2薄膜材料中非晶消失，全部为晶体薄膜。 (2)氧气流量不断增加，Al-SnO2薄膜的透光率也逐渐的增加。当氧气流量超过3.3 sccm时，Al-SnO2薄膜样品的平均透光率已经超过了80%，可以满足市场对透明导电薄膜材料光学性能的需求。 (3)氧气流量和退火温度都对ATO薄膜的光学性能有很大的影响。当氧气为3.3 sccm时，ATO薄膜有最小的方块电阻12.9Ω/sq和最小的电阻率，1.3×10-4??cm，对应的迁移率和载流子浓度，分别是8.2 cm2/V?s和5×1021 1/cm3。 镓掺杂二氧化锡薄膜 (1) 在室温下，氧气流量和溅射时间不会很明显影响薄膜材料的结晶状态。所有的GTO薄膜材料都没有出现结晶的现象。退火会让GTO薄膜材料发生结晶。 (2) 当腔体内部的氧气流量逐渐增加的时候，薄膜的光透过率也逐渐的增加。当氧气流量超过4.8 sccm时，薄膜样品的平均光透过率已经超过了80%，可以满足市场对透明导电薄膜材料光学性能的需求。 (3) 氧气流量的多少对薄膜样品的电学性能有很大的影响。当氧气为4.8 sccm时，Ga-SnO2薄膜有最小的方块电阻33.9Ω/sq和最小的电阻率3.05×10-3??cm ，而此时对应的载流子浓度和迁移率，分别是14.9 cm2/V?s和1.37×10-20 1/cm3。

目录

第一个书签之前

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 SnO2概述

1.2.1 SnO2基本情况

1.2.2 SnO2的特征

1.3 透明导电薄膜的种类

1.3.1 ZnO基透明导电薄膜

1.3.2 In2O3基透明导电薄膜

1.3.3 TiO2基透明导电薄膜

1.3.4 SnO2基透明导电薄膜

1.4 TCO薄膜的应用

1.4.1 在太阳能电池上的应用

由于目前社会所存在的能源危机问题，发展新能源已经成为了各国科学家努力的方向，而太阳能因为其取之不尽用

1.4.2 在气敏器件中的应用

1.4.3 在电子屏幕上的应用

1.4.4 在汽车行业上的应用

1.5 薄膜材料的制备方法

1.5.1 磁控溅射

1.5.2 真空蒸镀

1.5.3 脉冲激光沉积法

1.5.4 溶胶-凝胶

1.5.5 化学气相沉积

1.5.6 物理气相沉积

2 研究内容及性能表征

2.1 薄膜材料的制备方法

2.1.1 外源等离子体溅射系统

2.1.2 HiTUS的基本特征

2.1.3 HiTUS的工作原理

2.2 薄膜材料的制备过程

2.2.1 镀膜前准备

2.2.2 薄膜的制备过程

2.3 薄膜材料的性能表征

2.3.1 薄膜样品厚度测量

2.3.2 薄膜表面形貌和晶体结构

2.3.3 薄膜材料光学性能分析

2.3.4 薄膜材料电学性能分析

3 铝掺杂二氧化锡薄膜

3.1 氧气流量对薄膜材料性能的影响

3.1.1 沉积速率

3.1.2 薄膜XRD分析

3.1.3 薄膜SEM分析

3.1.4 薄膜TEM分析

3.1.5 薄膜XPS分析

3.2 薄膜的光学性能研究

3.3 薄膜的电学性能研究

3.3.1 薄膜的接触性能

3.3.2 薄膜的霍尔性能

3.4 本章小结

4 镓掺杂二氧化锡薄膜

4.1 薄膜材料结构表征

4.1.1 薄膜沉积速率

4.1.2 薄膜XRD分析

4.1.3 薄膜EDS分析

4.1.4 薄膜SEM分析

4.2 薄膜的光学性能研究

通过图4.9可以清楚的看出，调控氧气流量的多少可以有效的改变Ga-SnO2光学带隙，这是由于镓元素的

4.3 薄膜的电学性能分析

4.3.1 薄膜的I-V曲线

4.3.2 薄膜的霍尔性能

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

个人简历

致谢