Si掺杂ZnO系透明导电膜的研究

摘要

作为透明导电氧化物薄膜代表的ZnO系薄膜AZO，GZO等已经具备优良的光性能和电性能，基本达到了实际上的需求，但其在较高温度下工作时的电阻率上升较快，暴露出热稳定性不足的问题。Si元素及其化合物性质稳定，适当浓度的Si掺杂应该可以提高薄膜性能的稳定性。本文以SiO2掺杂ZnO系中的AZO和GZO制作靶材，采用FJL500型高真空多功能复合溅射系统射频溅射在玻璃基底上镀制薄膜。通过控制溅射基底温度、溅射压强和靶材Si掺入浓度等变量，研究这些工艺和掺入Si杂质因素对ZnO系膜的结构、电与光的性能以及热稳定性之影响。分别采用XRD、SEM、四点探针仪、干涉显微镜、紫外-可见分光光度计对薄膜样品的物相结构、表面形貌、电阻率、膜厚、可见光透过率进行测试和表征。
　　研究表明：在溅射功率150W，溅射时间为20min的前提下，溅射基底温度对Si杂质掺入ZnO系的AZO薄膜的结构和电与光的性能都有显著影响。薄膜的结晶性能在基底温度为250℃时最好，电阻率随基底温度升高而快速下降，在基底温度为350℃时，0.5wt％SiO2掺杂的AZO薄膜的电阻率达到最小值2×10-3Ω·cm，薄膜的厚度在250℃时达到最大值442nm，平均可见光透过率在常温和250℃附近时达到比较高的水平（85%以上）。
　　溅射压强为0.3Pa下制得的ZnO系薄膜的电阻率明显低于0.5Pa和0.8Pa下制得的薄膜，但0.5Pa下制得的薄膜的可见光透过率最高。在0.5Pa，200℃下制备的0.5wt%SiO2掺杂的AZO薄膜的平均透光率达到87.9%。但不同溅射压强对薄膜透过率的影响不大。
　　在掺入0.5wt%SiO2后AZO薄膜在短时间内退火后的电阻率增长速度有较明显的减缓（不足未掺杂时的一半），说明Si的掺入提高了AZO薄膜的热稳定性。将掺入AZO/GZO薄膜的SiO2杂质的浓度由0.5wt%提高到2wt%，薄膜中晶粒尺寸明显增大，但晶粒排列混乱，结晶质量变差，电阻率成倍升高，说明高浓度的Si掺杂对ZnO系膜的结构和性能产生不利影响。

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1绪 言

1.1透明氧化物概述

1.2 ZnO晶体的结构和基本性质

1.3 ZnO薄膜的掺杂

1.4 ZnO系薄膜的制备方法

1.5 ZnO系透明导电薄膜的应用

1.6 本课题研究的意义和内容

2 Si掺杂ZnO系靶材和薄膜的制备及测试

2.1 Si掺杂ZnO系靶材的制备

2.2 Si掺杂ZnO系薄膜的制备

2.3 Si掺杂ZnO系薄膜结构和光电性能的测试方法

3 基底温度对Si掺杂ZnO系薄膜性能的影响

3.1 基底温度对Si掺杂ZnO系薄膜结构性能的影响

3.2 基底温度对Si掺杂ZnO系薄膜电性能的影响

3.3 基底温度对Si掺杂ZnO系薄膜光性能的影响

3.4本章小结

4 溅射压强对Si掺杂ZnO系薄膜性能的影响

4.1 溅射压强对Si掺杂ZnO系薄膜结构的影响

4.2溅射压强对Si掺杂ZnO系薄膜电性能的影响

4.3溅射压强对Si掺杂ZnO系薄膜光性能的影响

4.4本章小结

5 Si掺杂对ZnO系薄膜性能的影响

5.1 不同Si掺杂含量对ZnO系薄膜结构性能的影响

5.2 不同Si掺杂含量对ZnO系薄膜电学性能的影响

5.3 不同Si掺杂含量对ZnO系薄膜光学性能的影响

5.4本章小结

6 结 论

致谢

参考文献