掺镓氧化锌透明导电薄膜的制备及性能研究

摘要

氧化锌（ZnO）材料具有优良的光电、铁电和压电等特性，可以很方便地制备出各种结构、性能优良的薄膜，已经成为最近20年来半导体材料研究的热点。掺杂氧化锌具有原料容易得到、无毒、价格低廉以及沉积温度较低等优势，已成为替代 ITO薄膜的最理想材料之一，在平板显示器、太阳能电池、传感器等领域有着广泛的应用。
　　本文采用射频磁控溅射制备技术，在普通玻璃衬底上沉积掺镓 ZnO（GZO）透明导电薄膜，并利用XRD、XPS、四探针测试仪、紫外/可见光分光光度计、接触角测试仪等表征手段研究GZO薄膜的微观结构、表面形貌、光学性质、电学性质以及光电综合性能，并用光谱拟合法设计应用程序，计算了GZO薄膜的光学常数，获得了如下主要结论：
　　(1)衬底温度对GZO薄膜结构和光电性质的影响。不同衬底温度下所制备的GZO薄膜均为多晶六角纤锌矿的结构，并且具有c轴择优取向，掺杂没有改变薄膜的晶体结构。衬底温度的改变，对薄膜的结晶性能和光电性质有着明显的影响，当衬底温度为400℃时，GZO薄膜的衍射峰最强、半高宽最窄（0.116°）、晶粒尺寸最大（70.9 nm）、光电综合性能性能最优（963.5 S?cm-1）。另外，衬底温度还对GZO薄膜的光学能隙和表面能具有较大影响，随着衬底温度的升高，光学能隙单调增加，而表面能则先增大后减小，当衬底温度为400℃时表面能达到最大值（35.75 mJ/m2）。
　　(2)靶基距对GZO薄膜结构和光电性质的影响。靶基距从65 mm增加到70 mm时，GZO薄膜的衍射峰强度增大、结晶质量变好、电阻率减小、透过率升高；而当靶基距大于70 mm并继续增大时，GZO薄膜的各项性能反而退化。实验结果表明，当靶基距为70 mm时，GZO薄膜的衍射峰强度最大、结晶质量最好、光电综合性能最佳（918.9 S?cm-1）。
　　(3)溅射压强对GZO薄膜结构和光电性质的影响。在不同溅射压强的条件下，GZO薄膜的结晶质量和光电性能随着溅射压强的增加而呈现出先变好而后变差的趋势，当溅射压强为0.5 Pa时，GZO薄膜的衍射峰强度最强（1.70×104 cps）、晶粒尺寸最大（52.0 nm）、品质因数最高（747.09 S?cm-1），具有最优的光电综合性能。
　　(4)溅射时间对GZO薄膜结构和光电性质的影响。溅射时间过短或过长，都会使得GZO薄膜内部的晶界和缺陷增加，载流子的迁移率下降，结晶质量变差，导电性能降低。当溅射时间为25 min时，GZO薄膜的结晶质量最佳、电阻率最低（8.56×10-4Ω?cm），导电性能最好。
　　(5)运用遗传算法计算薄膜的光学常数（折射率 n和消光系数k）。拟合的透过率与实际测量完全吻合，在可见光区范围内GZO薄膜的折射率随波长增大而逐渐减小，表现出正常色散关系。消光系数受衬底温度的影响较小，在可见光区消光系数接近10-4，结果表明GZO薄膜具有很好的透光性能。
　　(6)制备GZO薄膜的最佳工艺条件。通过研究制备工艺参数对GZO薄膜微观结构、表面性质和光电综合性能的影响，得到了制备GZO薄膜的最佳工艺条件为：衬底温度为400℃，靶基距为70 mm，溅射气压为0.5 Pa，溅射时间为25min，溅射功率为200 W，氩气流量为15sccm。

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第1章 绪论

1.1 ZnO薄膜的结构与性质

1.2 掺杂ZnO薄膜的性质

1.3 TCO薄膜透明导电的机理

1.4 TCO薄膜的应用

1.5 本文的研究意义与研究内容

第2章 GZO薄膜的制备与表征

2.1 掺杂ZnO薄膜的制备方法

2.2 表征手段

第3章 工艺参数对GZO薄膜性能的影响

3.1 薄膜的制备

3.2 衬底温度对薄膜性能影响的研究

3.3 靶基距对薄膜性能影响的研究

3.4 溅射气压对薄膜性能影响的研究

3.5 溅射时间对薄膜性能影响的研究

3.6 本章小结

第4章 GZO薄膜的表面能和光学常数

4.1 薄膜的表面能

4.2 薄膜的光学常数

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

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