Si的渗透和掺杂对AZO薄膜结构和特性的影响

摘要

ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，具有直接宽带隙（室温下3.37eV），属于六方纤锌矿结构。ZnO及Al:ZnO（AZO）在光电、压电、热电、铁电和光电器件等诸多领域都表现出了优异的性能。
　　随着ZnO和AZO薄膜研究及应用的进一步深入，Si的渗透或掺杂引起了广泛关注，主要体现在两方面：
　　一）相关的研究和应用中，ZnO或AZO薄膜通常是以Si单晶或多晶作为衬底，在ZnO或AZO薄膜的沉积过程中，衬底中的Si向薄膜中的渗透将形成ZnO:Si或AZO:Si过渡层，为此，必须关注两个问题：1）过渡层厚度或Si的渗透深度对ZnO或AZO薄膜主体结构和性能的影响；2）薄膜制备过程中基片温度对过渡层结构和性能的影响；
　　二）Si的掺杂可以调制ZnO或AZO薄膜的特性，但Si的掺杂浓度对ZnO或AZO薄膜结构和性能的影响如何还不甚明了。
　　针对以上热点，本文以ZnO:Al:Si粉末混合烧结陶瓷靶为溅射靶，以Ar为溅射气体，采用射频磁控溅射法，在石英和硅片衬底上沉积了Al、Si共掺杂的ZnO薄膜（AZO:Si），开展的工作主要包括以下三个方面：
　　一）沉积温度设定为400℃，Si掺杂浓度为1.2wt%的条件下，膜厚（在此等效为过渡层的厚度或Si的渗透深度）对AZO薄膜电学、光学性质的影响。
　　结果显示，薄膜的电阻率、载流子浓度和迁移率都强烈地依赖于膜厚，在膜厚为19nm时，载流子浓度和迁移率接近最小，电阻率较大，且呈现出p型导电特性。随着膜厚增加，载流子浓度和迁移率都变大，电阻率减小并趋于稳定，膜厚在396nm附近时电阻率接近最小，达7×10-3Ωcm，此时的载流子浓度和迁移率分别是1.54×1020cm-3和5.66 cm2V-1s-1。
　　结合薄膜的X射线衍射（XRD）图谱、X射线光电子能谱（XPS）和紫外-可见光（UV-Vis）透射光谱探讨了膜厚（等效为Si的渗透深度或过渡层厚度）对薄膜性能的影响及其相关机制。研究表明，薄膜较薄时（20nm左右），Si的渗透对薄膜的性质的影响比较明显，主要体现在产生Si-O-Zn键，甚至形成Zn2SiO4颗粒；随着膜厚的增加，Si的渗透（或Si过渡层）对AZO的影响将逐渐减小，300nm左右影响已很小，基本可以忽略；膜厚为400nm左右电阻率最低；通过控制薄膜厚度可以实现对薄膜的电阻率、载流子浓度、光学带隙等性质的有效调控。
　　二）Si弱掺杂（浓度为1.0wt%）条件下，薄膜厚度控制在160nm左右，研究了沉积温度对AZO:Si薄膜的结构和特性的影响，如表面形貌、光学性质、电学性质的影响。
　　结果表明：在沉积温度为400℃时，所得到的薄膜的结晶情况最佳，具有非常明显的c轴择优取向，（002）峰的位置在34.45°，几乎等于AZO薄膜的标准值，此时电阻率接近最小，载流子浓度和迁移率分别6.09×1020cm-3和18.5211cm V-S-；另外，AZO:Si薄膜的平均透射率随着沉积温度有微小变化。
　　三）沉积温度维持在400℃，膜厚在160nm左右，Si掺杂浓度对AZO:Si薄膜的结构和特性，如表面形貌、光学性质、电学性质的影响。
　　结果表明：Si的掺杂会显著影响薄膜的光学带隙，表现为随着Si的掺入薄膜的吸收边将出现蓝移，即向短波方向移动。但Si的掺杂会使原本结晶良好的AZO薄膜结晶情况恶化，在较高掺杂浓度（1.6wt%）下，甚至观察不到典型的ZnO的XRD衍射峰；薄膜的导电性也随着Si掺杂浓度的增加而变差。可见，若要求掺杂不引起薄膜主体结构和性能的明显变化，Si的掺杂浓度不宜过大，最好在1.2wt%以下。

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第一章 引 言

1.1 ZnO材料的基本特性

1.2 ZnO的能带结构

1.3 ZnO的缺陷

1.4 ZnO薄膜的用途

1.5 ZnO的掺杂

1.6 本文的研究内容

第二章 ZnO薄膜的制备及表征手段

2.1 ZnO薄膜的制备方法

2.2 薄膜生长机理

2.3 薄膜的制备

2.4 薄膜的结构和性能表征[58-60]

第三章 射频磁控溅射法制备AZO:Si薄膜的结构和性能

3.1 薄膜厚度的影响

3.2 基片温度的影响

3.3 Si掺杂浓度的影响

第四章 结 论

参考文献

攻读学位期间公开发表的论文

致谢