透明的高导电近红外反射ZnO：Ga薄膜的制备及特性研究

摘要

透明导电氧化物作为一种重要的光电子信息材料，在制造发光器件、薄膜太阳能电池、表面声波器件、传感器、平板液晶显示器和红外反射器等领域得到了广泛的应用。在这类材料中，氧化锌(ZnO)是一种宽禁带(3.3 eV)的n型半导体材料，易产生缺陷和进行杂质掺杂，相对于铟锡氧化物(ITO)和SnO<,2>而言，具有原材料资源丰富、价格低廉，沉积温度相对较低和在氢等离子体环境中稳定性好等优点，是一种最有希望替代ITO的材料。至今人们已经采用多种薄膜生长技术来制备ZnO基透明导电薄膜，相对于其它薄膜生长技术而言，直流反应磁控溅射因沉积系统相对简单、易操作，可实现大面积镀膜，更有利于实现今后的工业化生产。此外，掺杂ZnO透明导电薄膜在红外区具有优良的红外反射特性，在红外反射窗膜和热反射器等领域具有广阔的应用前景。因此，开展透明的高导电近红外反射掺杂ZnO薄膜的研究具有非常重要的意义。 本文通过直流反应磁控溅射技术在玻璃衬底上制备出了透明的高导电近红外反射Ga掺ZnO(znO：Ga)薄膜，系统研究了Ga含量、衬底温度、溅射压强、氧分压、溅射功率和退火温度等工艺参数对薄膜性能的影响，并对红外反射机理做了详细的探讨。此外，我们也采用直流反应磁控溅射技术制备了Ga掺ZnMgO(znMgO：Ga)薄膜并研究了Mg含量对薄膜结构、电学和光学等特性的影响。通过研究得出以下主要结果： 1.首次采用直流反应磁控溅射技术，以Zn-Ga合金为靶材，在玻璃衬底上制备出了高透明高导电近红外反射ZnO：Ga薄膜。所制备的ZnO：Ga薄膜为具有(002)面单一择优取向的六角多晶纤锌矿结构且c轴垂直于衬底，薄膜沿c轴的晶粒尺寸在17～32 nm之间。 2.衬底温度、沉积压强和溅射功率等因素对薄膜的表面形貌有很大的影响。衬底温度为300℃，溅射压强为1.0 Pa，溅射功率为140 W时沉积的ZnO：Ga薄膜表面相对平滑，晶粒堆垛致密均匀并且没有明显的晶粒间界。 3.所有薄膜均为简并的n型半导体，在靶材Ga含量为2～4 at％、衬底温度为300℃、溅射压强为1.0～1.5 Pa、氧分压为0.2～0.3 Pa和溅射功率为140～160 W时沉积的薄膜具有最低的电阻率～3.0×10<'-4> Ω·cm，载流子浓度可达2.5×10<'21> cm<'-3>。薄膜中Zn、O和Ga的纵向分布很均匀，且Ga仅以单一化学结合态形式存在。 4.研究了ZnO：Ga薄膜的红外反射特性。所制备的薄膜在可见光区的透过率均超过90％，在红外区均具有较低的透射率和较高的反射率，并且薄膜的红外反射率随着载流子浓度的升高而增大，红外透射截止边随着载流子浓度的升高而向短波方向移动。在靶材Ga含量为2～4 at％、衬底温度为300℃、溅射压强为1.0～1.5 Pa、氧分压为0.2～0.3 Pa，溅射功率为140～160 W时沉积的薄膜透射率在1500nm时低于10％，反射率在2500nm时可达72％，薄膜具有最大的光学禁带宽度～3.76 eV，所沉积的薄膜具有优良的光学性能。 5.研究了退火温度对ZnO：Ga薄膜性能的影响。薄膜随退火温度的升高，晶粒尺寸开始逐渐增大，薄膜经400℃退火后可获得最低电阻率为2.6×10<'-4> Ω·cm的导电薄膜。随着退火温度的进一步升高，薄膜的电阻率开始增大，在退火温度为550℃时薄膜的电阻率升高到4.39×10<'-4> Ω·cm。尽管经较高温度退火后薄膜的电导率有了较大的提高，但是经过退火处理后的薄膜红外反射特性降低。 6.首次采用直流反应磁控溅射技术，在玻璃衬底上制备了ZnMgO：Ga薄膜，研究了Mg含量对ZnMgO：Ga薄膜的结构、电学和光学等特性的影响。所沉积的ZnMgO：Ga薄膜仅存在对应于(002)和(004)面的两个衍射峰；Zn、Mg、O、Ga元素在薄膜中分布均匀；所沉积薄膜的电阻率随着Mg含量的增加而增大，同时伴随有电子载流子浓度和迁移率的降低。

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

第二章文献综述

2.1透明导电氧化物薄膜的种类及研究现状

2.1.1 SnO2基透明导电薄膜

2.1.2In2O3基透明导电薄膜

2.1 3 ZnO基透明导电薄膜

2.1.4其它透明导电氧化物薄膜

2.2透明导电氧化物薄膜的应用

2.2.1透明电极

2.2.2电磁屏蔽和防静电膜

2.2.3面发热膜

2.2.4电致变色窗

2.2.5气敏传感器

2.2.6触摸屏

2.2.7红外隐身材料与热红外反射镜

2.3透明导电氧化物薄膜的制备技术

2.3.1磁控溅射

2.3.2真空蒸发镀膜

2.3.3脉冲激光沉积

2.3.4离子镀

2.3.5化学气相沉积

2.3.6溶胶凝胶

2.3.7喷雾热解

2.3.8分子束外延

2.4本文的选题依据和研究内容

第三章直流反应磁控溅射原理和实验过程

3.1直流反应磁控溅射原理

3.1.1辉光放电原理

3.1.2溅射粒子的能量

3.1.3直流反应磁控溅射原理

3.2实验过程

3.2.1实验设备

3.2.2靶材的制备

3.2.3衬底及共清洗

3.2.4薄膜的制备过程

3.3性能评价

第四章ZnO：Ga薄膜的特性分析

4.1 Ga含量对ZnO：Ga薄膜特性的影响

4.1.1 Ga含量对ZnO：Ga薄膜成分和结构性能的影响

4.1.2 Ga含量对ZnO：Ga薄膜电学性能的影响

4.1.3 Ga含量对ZnO：Ga薄膜光学性能的影响

4.1.4 小结

4.2衬底温度对ZnO：Ga薄膜特性的影响

4.2.1衬底温度对ZnO：Ga薄膜结构特性的影响

4.2.2衬底温度对ZnO：Ga薄膜化学特性的影响

4.2.3衬底温度对ZnO：Ga薄膜的电学性能的影响

4.2.4衬底温度对ZnO：Ga薄膜的光学性能的影响

4.2.5 小结

4.3沉积压强对ZnO：Ga薄膜特性的影响

4.3.1沉积压强对ZnO：Ga薄膜结构性能的影响

4.3.2沉积压强对ZnO：Ga薄膜电学性能的影响

4.3.3沉积压强对ZnO：Ga薄膜光学性能的影响

4.3.4 小结

4.4氧分压对ZnO：Ga薄膜特性的影响

4.4.1氧分压对ZnO：Ga薄膜结构性能的影响

4.4.2氧分压对ZnO：Ga薄膜电学性能的影响

4.4.3氧分压对ZnO：Ga薄膜光学性能的影响

4.4.4小结

4.5溅射功率对ZnO：Ga薄膜特性的影响

4.5.1溅射功率对ZnO：Ga薄膜结构性能的影响

4.5.2溅射功率对ZnO：Ga薄膜电学性能的影响

4.5.3溅射功率对ZnO：Ga薄膜光学性能的影响

4.5.4 小结

4.6退火温度对ZnO：Ga薄膜特性的影响

4.6.1退火温度对ZnO：Ga薄膜结构性能的影响

4.6.2退火温度对ZnO：Ga薄膜电学性能的影响

4.6.3退火温度对ZnO：Ga薄膜光学性能的影响

4.6.4小结

第五章ZnMgO：Ga薄膜的制备及特性分析

5.1引言

5.2实验过程

5.3 Mg含量对ZnMgO：Ga薄膜结构特性的影响

5.4 Mg含量对ZnMgO：Ga薄膜表面化学态的影响

5.5 Mg含量对ZnMgO：Ga薄膜电学特性的影响

5.6 Mg含量对ZnMgO：Ga薄膜光学特性的影响

5.7小结

第六章结论

第七章应用前景与展望

参考文献

致谢

作者博士期间发表的论文和申请的专利