激光退火对氧化锌薄膜压敏电阻性能影响的研究

摘要

ZnO系压敏陶瓷广泛应用于高压领域的避雷器和低压领域的电路保护中，涵盖了各行各业的电力电子设备。近年来，电子技术迅猛发展，电子元件集成度提高，电子设备对电压的变化越来越敏感，因为静电、浪涌等因素，设备受到破坏或发生误操作的概率也大大提高，起到稳压和过压保护作用的压敏元件有着广泛应用前景，其可靠性和制备工艺也有着更高要求。本文采用自制靶材，通过磁控溅射法制备ZnO薄膜压敏电阻，并分别采用传统退火和激光退火对其进行后续处理，总结以上实验研究，得出了一些有意义的成果。
　　本研究主要内容包括：⑴在成型压力为40MPa，烧结温度为950℃时，制备的ZnO基陶瓷靶材致密度最高，断面气孔较少，晶粒尺寸约为4-6μm，靶材中主要包括ZnO主晶相、Bi2O3相和Zn2.33Sb0.67O4尖晶石相。⑵选用Ti作为电极材料，能够保证电极在后续的退火和激光退火处理中性能稳定。当溅射功率为300w时薄膜表面粗糙度达到最小值18.4nm，表面较为平整，得到的薄膜为非晶态，随着磁控溅射功率增大，薄膜出现了一定的晶化效果，且越来越明显。⑶退火可以使非晶薄膜结晶，当退火温度达到850℃以上，薄膜晶粒饱满、均匀、致密，退火效果较好。氧化铋的熔点为825℃，在这附近，Bi2O3可以熔化，在ZnO晶界处形成富集相，而温度过高时，Bi元素挥发较严重，造成薄膜电学性能下降。退火温度为850℃时薄膜电学性能最好，此时样品的压敏电压为4.63V，非线性系数为13.89。⑷采用能量密度和扫描速度适中的激光对ZnO薄膜进行辐照处理能够获得较好的退火效果，激光作用区域内的薄膜晶粒通过再结晶过程长大，激光辐照后薄膜中Bi元素含量没有明显变化，解决了炉内退火过程中Bi元素在温度过高时挥发严重的问题。激光退火的最佳工艺参数为扫描速度10mm/s，能量密度0.89J/cm2，此时薄膜C轴取向最好，样品的压敏电压为3.53V，非线性系数为18.93。