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《AZO透明导电薄膜的特性_制备与应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第20卷第4期光电子技术Vol.20No.42000年12月OPTOELECTRONICTECHNOLOGYDec.2000XAZO透明导电薄膜的特性、制备与应用范志新(河北工业大学应用物理系,天津,300130)2000年7月27日收到摘要综述了AZO透明导电薄膜的结构特点,冶金学、电学和光学的特性,薄膜研究、应用和开发现状,认为AZO薄膜具有较好的开发前景。关键词AZO薄膜特性制备应用中图分类号:O484文献标识码:A文章编号:10052488X(2000)04202552051引言透明导电薄
2、膜在光电池和液晶显示等多方面的应用日益受到人们的重视。在氧化锡(TO)和氧化铟锡(ITO)薄膜的研究取得成功并获得工业化应用之后,尽管提高薄膜透光率和降低电阻率仍然是研究者们继续不断向“极限”挑战的目标,国内外的刊物上仍不断有论文发表,但这已不是主攻方向。接下来,研究者又把研究的主要目标转向其它材料,掺铝氧化[1～21]锌(AZO)薄膜就是目前最具开发潜力的薄膜材料之一。氧化锌(ZO)是一种典型的纤锌矿结构材料,作为良好的半导体、压电功能材料,多年前就已经达到实用化的程度。氧化锌薄膜也可以作为良好
3、的透明导电材料,由于ITO薄膜含有稀散贵金属铟,成本较高,而氧化锌原料丰富,价格低,性能优异,引起人们研究与开发的兴趣,从20世纪70年代末开始就不断有论文发表,近年来更成为研究的热门课题。而掺铝[19]氧化锌又属透明导电薄膜中目前效果最好的氧化锌系薄膜。多种制备技术都可以用于沉积AZO薄膜,如磁控溅射、激光沉积、溶胶2凝胶工艺在[1～21]AZO薄膜制备方面都取得了相当大的进展,大量国内外文献作了多方面的报道。2AZO薄膜的特性优质的氧化锌薄膜具有C轴择优取向生长的众多晶粒,每个晶粒都是生长良好
4、的六角[22,23]形纤锌矿结构。按照一般的晶体学模型,氧化锌晶体是由氧的六角密堆积和锌的六角密堆积反向嵌套而成的。晶格常数a=0.325nm,c=0.521nm,配位数为4∶4,每一个锌原子都位于四个相邻的氧原子所形成的四面体间隙中,但只占据其中半数的氧四面体间隙,氧X范志新男,1960年11月生,吉林市人,河北工业大学应用物理系系主任,副教授,博士生,研究方向:液晶器件物理与光电子材料。256光电子技术第20卷3原子的排列情况与锌原子相同。单位晶格中含有两个分子,体积V=0.047615nm。
5、因而这种结构比较开放,间隙原子的形成焓比较低,半径较小的组成原子容易变成间隙原子,如ZnO中的Zni的浓度比较高。化学计量比的氧化锌为宽带隙半导体,禁带宽度约3.3eV,本6征氧化锌薄膜的电阻率高于108·cm。改变生长、掺杂或退火条件,可形成简并半导体,导-4电性能大幅提高,电阻率可降低到108·cm数量级。氧化锌透明导电薄膜的导电性能主要是通过氧缺位和掺杂来提高电导率。其中氧缺位可以由化学计量偏离、改变生长和退火条件来实现。适当的掺杂不仅可以提高薄膜的电导率,还可以提高薄膜的稳定性。作为Ê2Î
6、族化合物的氧化锌,Ë族元素和Ï族元素原子可以分别占据Ê族和Î族元素的位置而起施主的作用。在这些施主杂质中,最成功的是铝的掺4-1杂。用磁控溅射的方法制备的AZO薄膜的电导率已提高到10(8·cm)的数量级,可见光透过率可达90%。AZO薄膜中存在两种点缺陷——本征缺陷和杂质缺陷。这些缺陷的存在破坏了晶粒质点的有序排列,对薄膜的性质,如导电性、透光性等有很大影响。杂质缺陷是指由于加入添加物而在氧化锌晶粒中所形成的缺陷。掺入Al2O3时,由于铝的离子半径(RAl=0.057nm)比锌的离子半径(RZn
7、=0.083nm)小,铝原子容易成为替位原子占据锌原子的位+3+3子,也容易成为间隙原子而存在。Al原子趋向于以Al+3e的方式发生固溶,Al离子占+2据晶格中Zn离子的位置,形成一个一价正电荷中心AlZn和一个多余的价电子,这个价电子挣脱束缚而成为导电电子。因此掺入Al2O3的结果是增加了净电子,使晶粒电导率增加。AZO薄膜为直接带隙简并半导体,掺杂后光带隙发生蓝移,且能隙变化与载流子浓度的1ö3次方成正比。许多实验研究都发现铝掺杂在AZO靶材中Al2O3的含量为2～3(wt)%时,对提高电[1
8、～21]导率效果最好。过多或过少地掺杂都会使薄膜的电阻增大而且性能不稳定。作者认为,铝掺杂浓度的最佳值可以从薄膜中晶体结构方面给予解释。由于在氧化锌中,每个锌原子除了与四个氧原子紧密相邻外,接下来就是与12个锌原子次相邻,因此可以设想,当一个铝替位原子的周围次近邻的12个锌原子格点上还有一个铝替位原子时,即氧化锌中铝掺杂含量为(2ö13)%[at,NAlö(NZn+NAl)]时,两个铝原子与三个氧原子相遇而形成Al2O3分子并消耗了多余的导电电子。在用溅射法制备薄膜过程中,薄膜表面
