非晶硅衬底制备掺铝氧化锌透明导电膜与性能分析

《非晶硅衬底制备掺铝氧化锌透明导电膜与性能分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1透明导电膜的研究背景及应用近年来，随着光电产品数量和种类的不断增加，透明导电薄膜材料凭借其优异的光电性能，作为太阳能电池、大尺寸触摸屏、光学传感器以及平板显示器等光电器件的重要部件获得广泛关注。-3透明导电膜是指导电性好（电阻率在10Ω•cm以下）且对可见光的透过率高（＞80%）的薄膜材料。但是，从物理学的角度讲，高的透过率要求材料的禁带宽度必须大于光子能量，使光子不容易被吸收；而禁带宽度大的材料，电子跃迁困难，导带中自由电子较少，电阻率就高。透明导电膜可以同时满足高透过率和低电阻率这两点要求。目前，根据材

2、料种类，主要有金属透明导电膜、氧化物透明导电膜（TCO）、高分子透明导电膜以及复合透明导电膜四类，其中，金属类和金属氧化物类应用的最为广泛。尽管金属透明导电膜的导电性明显较好，但是其透过率受到薄膜厚度的严重限制，当薄膜厚度超过20nm以后，其光学透过率下降[1]严重。而氧化物透明导电膜没有此种局限，也因此成为人们竞相研究和利用的主角。TCO薄膜的研究最早出现于20世纪初，第一类透明导电薄膜-CdO，是由[2]Badeker于1907年研制成功，引发了TCO的研发热潮。SnO2基和In2O3基TCO[3]薄膜出现于1950年前后，从20世纪80年代开始，

3、ZnO基薄膜的研究成为热点。目前，具有代表性的TCO材料体系有In2O3，SnO2，ZnO，CdO，以及他们的掺杂体系，如掺Sn的In2O3，掺Al的ZnO，掺F的SnO2等。下面将主要介绍目前最常见、应用最为广泛的SnO2基薄膜、In2O3基薄膜以及ZnO基薄膜的研究现状。1.1.1SnO2基薄膜SnO2薄膜是最早获得商业化的材料。SnO2是正方金红石结构（a=0.4738nm，c=0.3188nm），是一种一般处于简并或接近于简并状态的n型半导体。它硬度大，具有较强的耐化学腐蚀性，化学稳定性极高，并且对玻璃和陶瓷的附着力很强。但是，本征SnO2薄膜

4、的电阻率较高且透过率较差，经过适当元素的掺杂，SnO2薄膜的光电性能得到大幅度提高，因此，目前应用广泛的是掺杂的SnO2薄膜。其中，SnO2掺Sb（ATO）与SnO2掺F（FTO）透明导电薄膜的掺杂效果最好，应用也最为广泛。SnO2:F（简称FTO）薄膜的硬度高，热、化学稳定性好，并且生产成本较低，这些优点使其在节能窗等建筑用大面积TCO薄膜应用中具有不可替代的绝对优-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[4]势。目前，制备SnO2:F透明导电膜主要以喷雾热分解技术为主，Yadav等人就采用此种技术制备出SnO2:F薄膜，并系统地研究了沉积温度对薄膜性能

5、的影响，最-4[5]终在475℃下获得电阻率为3.91×10Ω·cm高质量薄膜；而Zhi等人将喷雾热分解技术与溶胶-凝胶过程相结合，得到（110）面择优取向、四方晶体结构的SnO2:F薄膜，表面电阻最小为50Ω。近些年，低辐射（low-e）玻璃在节能领域逐渐引起广泛关注，SnO2:F透明导电薄膜作为low-e玻璃膜层物质的理想选择，其性能在后期深加[6]工前后的变化越来越受到广大研究学者的关注。李铭等人将SnO2:F薄膜在不同温度下，在氮气和空气两种气氛下进行了退火处理，结果表明，退火后薄膜在中远红外区域内的反射率减小，即薄膜的Low-e性能降低。1.

6、1.2In2O3基薄膜In2O3薄膜一般是呈体心立方铁锰矿结构（a=0.10118nm）的多晶薄膜。与SnO2[3]薄膜相比，In2O3膜的刻蚀容易，稳定性较好。尽管由于晶体内部缺陷的存在，本征In2O3是一种n型半导体，但与本征SnO2薄膜相似，其电阻很大，几乎不导电，也可以通过元素掺杂有效的提高其的导电率。其中，掺Sn的In2O3（ITO）薄膜是目前研究和应用最广泛的透明导电膜之一，并且已经实现产业化。ITO薄膜因其高透过率、低电阻率、易蚀刻以及耐磨损等优点，一直是太阳能电池、平板显示器和触摸屏中TCO薄膜的最佳选材。ITO透明导电薄膜的电阻率介-

7、3-5于10~10Ω·cm，可见光透过率在85%以上。为进一步提高ITO薄膜的光电性能，[7]实现其应用价值，许多研究学者采用了一些后续处理。刘陈等人对ITO薄膜进行氧等离子体表面处理，通过原子力显微镜观察发现，处理后的ITO薄膜表面平整度增加，润湿性能增强，吸附力增大近一倍，可以促进物质在ITO表面成膜，改善ITO薄膜在器件中的应用性能。热处理对提高薄膜电学性能有着显著效果，它可以改善薄膜的结晶状态，减少内部缺陷，增加载流子浓度，提高迁移率，进而降低薄[8]膜的电阻率。Fallah等人对采用电子束蒸发法制备的ITO薄膜进行了退火处-4理，薄膜电阻率最

8、低达到7×10Ω·cm，可见光透过率在93%以上。尽管ITO较其他材料在性能方面有明显的优势，