ZnO透明导电薄膜的制备及性能优化

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1、摘要氧化锌(ZnO)作为一种宽禁带II．Ⅵ族化合物半导体材料，通过掺入Ga、AI等IIIA族元素能在很大程度的提升薄膜的导电性能。ZnO透明导电薄膜因其丰富的原材料储备是一种最有希望替代ITO的透明导电氧化物，在平板显示器、薄膜太阳能电池、红外反射膜等领域有广泛的应用前景。本文采用直流反应磁控溅射制备ZnO透明导电薄膜，内容涉及ZnO：Ga单层透明导电薄膜和掺杂ZnO与金属Cu结合的多层结构透明导电薄膜。实验以综合评价透明导电薄膜光电性能的指标函数Orc为衡量标准，通过改变工艺参数并综合运用各种实验设计方法，改善ZnO透明导电薄膜的光电性能。通过研究得出以下主要结果：1．首次将多因素实验设

2、计的方法引入ZnO：Ga透明导电薄膜的研究，运用正交分析法综合研究了氧分压、氩分压、衬底温度和溅射功率等工艺参数对直流反应溅射制备ZnO：Ga透明导电薄膜电阻率的影响。正交试验设计法的引入简化了薄膜电学性能的优化过程，得到了最佳的工艺参数组合。更重要的是，正交设计的方差分析还首次给出了各个工艺参数对薄膜电学性能的影响程度，指出工作气氛是直流反应磁控溅射制备ZnO：Ga薄膜最重要的影响参数。最佳工艺参数组合条件下制备的ZnO：Ga薄膜的电阻率为2．6×104Q·cm，可见光透过率超过90％。这些性能指标与ITO薄膜相当，具有巨大的应用前景。2．针对ZnO透明导电薄膜的柔性衬底制备和低温应用，

3、我们首先在室温至400。C的广阔范围内系统研究了衬底温度对ZnO：Ga薄膜结构、表面形貌、光学和电学特性的影响。随着衬底温度的升高，薄膜的生长方式从抑制型生长转变为热激活型生长，较高的衬底温度改善了沉积薄膜的结晶质量也有利于Ga的掺杂。为了优化ZnO：Ga薄膜的低温生长性能，我们将衬底温度设定在150。C，选择通过改变溅射功率来提高溅射粒子的能量。当溅射功率提高到160W后，所得薄膜的性能在一定程度上得到了改善，此时获得薄膜的电阻率为1．32x10。3Q．cm。3．将金属Cu层引入到室温ZnO透明导电薄膜的制各中，研究了Cu层厚度和退火温度对ZnO：Ga／Cu、ZnO：A1／Cu和ZnO：

4、Ga／Cu／ZnO：Ga等多层结构透明导电薄膜光电性能的影响。随着Cu层厚度的增加，薄膜结构的可见光透过率轻微减弱但电学性能却成数量级的提升，引入的Cu层向ZnO层中提供了大量的电子。各种多层结构透明导电薄膜均在Cu层厚度为7．5nm时获得最优的性能指标函数‰值，多层结构薄膜的性能指标Orc相对单浙江大学硕上学位论文层掺杂ZnO薄膜有明显的提升。真空条件下的退火可以在一定程度上增强薄膜的结晶度，从而提高多层结构透明导电薄膜的光电性能，最佳的退火温度为400。C。退火后多层结构透明导电薄膜的电阻率在10。5量级，平均可见光透过率在80％左右，同时薄膜结构还具有良好的近红外反射性能，具有广阔的

5、应用前景。关键词：ZnO；透明导电薄膜；Cu膜；ZnO：Ga；多层结构薄膜；光电特性；直流反应磁控溅射AbstractZnOisawideband-gapsemiconductor，theconductiveperformanceofZnOfilmsCanbegreatlyimprovedbydopingwithGaorA1．Reserving、)~rithrichrawmaterials，ZnOhasemergedasoneofthemostimportanttransparentconductingoxides(TCO)foravarietyofpromisingapplication

6、ssuchasthin-filmsolarcell，flatpanelliquidcrystaldisplaydevices，andinfrared(IR)reflectorinrecentyears．InthispaperZnOtransparentconductivingthinfilmsweregrownonglasssubstratebyDCreactivemagnetronsputtering．ThecontentsofthispaperincludedZnO：Gasingle-layerfilmsandmultilayerstructurefilmscombinedwithCu

7、filmsandZnOfilms．ImprovetheelectricalandopticalpropertiesofZnOtransparentconductivingfilmsbychangingtheprocessparametersandusingexperimentdesignmethods．Themainresultsaleobtainedasfollows：1．Multi·factorsexperiment