磁控溅射法制备金属掺杂In2O3薄膜及其特性研究

摘要

氧化铟属于宽禁带半导体材料，化学稳定性强.近年来，随着对Sn掺杂In2O3薄膜(即ITO)的研究，因其具有低电阻率和高透光率特性，被广泛应用于平板显示、太阳能电池和光电器件等领域.但是制备高品质In2O3薄膜的实验条件还有待挖掘，高温退火对薄膜的影响不是很清晰，以及其他金属掺杂的相关研究很少.因此，本论文基于以上三个方面进行了研究.
　　利用射频磁控溅射法在Si(100)衬底上和载玻片衬底上分别沉积In2O3薄膜.通过改变实验参数，得到制备薄膜的最佳沉积条件.X射线衍射(XRD)图谱分析得出所有薄膜显示(222)衍射峰，属于体心立方晶格结构.扫描电子显微镜(SEM)图像表明Si衬底上沉积的薄膜表面光滑致密，结晶性良好，平均晶粒尺寸约为25nm左右，与Scherrer公式计算得出的结果相近(28.3 nm).EDX图谱表明薄膜只含有In，O和Si元素，没有其它杂质元素.载玻片衬底上于最佳制备条件下沉积的薄膜表面晶粒呈三角锥形，大小为30 nm左右.用四探针法测量样品的电阻率，Si衬底上的样品最低为2.673×10-3Ω·cm，小于载玻片上的7.940×10-3Ω·cm.用分光光度计研究样品的光学性能，在可见光范围内，Si衬底上沉积的薄膜，对应于651 nm处的红光，反射率最低，为8.0％;而相对520 nm处的绿光，反射率最大，为17.9％;在载玻片上制备的样品，对应于579 nm处有最高的透射率，达到48.1％，平均透光率为44％.
　　Si(100)衬底上，对最佳制备条件下沉积的In2O3薄膜进行800℃退火1h处理.XRD分析表明薄膜的(222)衍射峰宽度变窄，强度增加.SEM图像显示颗粒变大，晶粒尺寸达到70 nm左右，但是缺陷增多.退火后薄膜的电阻率减小，为8.566×10-4Ω·cm，并且反射率下降，最低达到6.6％.
　　利用射频和直流共溅射的方法，只改变直流靶溅射功率，在Si(100)和载玻片衬底上制备Zn掺杂In2O3(Zn-In2O3)薄膜，并将其在800℃下退火1 h.XRD测试表明Zn-In2O3薄膜显示为多晶并且显示(222)择优取向，随溅射功率增加，峰强先增大后减弱.退火后薄膜(222)衍射峰明显高于未退火的，载玻片衬底上沉积的样品峰强最低.样品电阻率随溅射功率的增加而减小，退火后样品的电阻率最小能达到8.675×10-4Ω·cm.当溅射功率为60 W时，Si衬底上的Zn-In2O3薄膜对664.5nm处的红光反射率最高，达到9.9％.退火后，样品的反射率增强，在366.7 nm紫光处为9.8％.载玻片衬底上沉积的Zn-In2O3薄膜在可见光范围内的平均透光率达到78.0％.
　　采用射频和直流共溅射的方法，只改变直流靶溅射时间，在Si(100)和载玻片衬底上制备Al掺杂In2O3(Al-In2O3)薄膜，并将薄膜在800℃下退火1h处理.XRD图谱表明薄膜显示(222)择优取向，衍射峰向大衍射角方向偏移，退火后薄膜的(222)衍射峰最强.载玻片上沉积的薄膜的电阻率为7.649×10-2Ω·cm.退火前后，薄膜的电阻率都随溅射时间先增大后减小.Al-In2O3薄膜反射率得到增强，最大处为20.1％，对应于712.2 nm处的红光.退火后样品的反射率进一步增加.当溅射功率为50 W，溅射时间为10min时，在载玻片衬底上沉积的Al-In2O3薄膜最大透射率为61.5％，可见光范围内的平均透射率为51.0％.

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 透明导电薄膜概述

1．2 In2O3薄膜的结构和相关性能

1．3 In2O3薄膜的研究进展

1．4 金属掺杂的In2O3薄膜的研究进展

1．5 论文的研究意义及主要内容

第二章 In2O3薄膜的制备、退火和表征方法

2．1 In2O3薄膜制备方法

2．2 In2O3薄膜高温退火技术

2．3 In2O3薄膜表征方法

第三章 In2O3薄膜的制备及其特性研究

3．1 Si衬底上In2O3薄膜的制备及结构特性

3．1．1 不同氩氧比率下Si衬底上沉积的In2O3薄膜

3．1．2 不同溅射功率下Si衬底上沉积Im03薄膜

3．1．3 不同溅射压强下Si衬底上沉积In2O3薄膜

3．1．4 不同溅射时间下Si衬底上沉积In2O3薄膜

3．2 载玻片衬底上In2O3薄膜的制备及结构特性

3．2．1 不同氩氧比率下载玻片衬底上沉积In2O3薄膜

3．2．2 不同溅射压强下载玻片衬底上沉积In2O3薄膜

3．2．3 不同溅射功率下载玻片衬底上沉积In2O3薄膜

3．2．4 不同溅射时间下载玻片衬底上沉积In2O3薄膜

3．3 退火温度对Si衬底上制备的In2O3薄膜结构影响

3．4 In2O3薄膜的表面形貌

3．4．1 最佳制备条件下Si衬底上制备的In2O3薄膜表面形貌

3．4．2 最佳制备条件下载玻片衬底上制备的In2O3薄膜表面形貌

3．4．3 退火处理的In2O3薄膜表面形貌

3．5 In2O3薄膜的电学特性

3．6 In2O3薄膜的光学特性

3．6．1 In2O3薄膜的反射光谱

3．6．2 In2O3薄膜的透射光谱

第四章 金属掺杂In2O3薄膜的制备及其特性研究

4．1 Zn-In2O3薄膜的制备和特性研究

4．1．1 Zn-In2O3薄膜的结构特性

4．1．2 Zn-In2O3薄膜的电学特性

4．1．3 Zn-In2O3薄膜的光学特性

4．2 Al-In2O3薄膜的制备和特性研究

4．2．1 Al-In2O3薄膜的结构特性

4．2．2 Al-In2O3薄膜的电学特性

4．2．3 Al-In2O3薄膜的光学特性

第五章 结论

参考文献

致谢

附录：攻读硕士期间发表的文章