衬底温度对反应磁控溅射W掺杂ZnO薄膜的微观结构及光电性能的影响.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．23(2012)238101衬底温度对反应磁控溅射W掺杂ZnO薄膜的微观结构及光电性能的影响木张翅陈新亮十王斐闫聪博黄茜赵颖张晓丹耿新华(南开大学，光电子薄膜器件与技术研究所，光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室，光电信息技术科学教育部重点实验室，天津300071)r2012年5月24目收2012年7月3日收到修改稿、采用直流脉冲反应磁控溅射方法生长w掺杂ZnO(WZO)透明导电氧化物薄膜并研究了衬底温度对薄膜微观结构、组分、表面形貌以及光电性能的影响

2、．实验结果表明，WZO薄膜具有良好的(002)晶面择优取向，且适当的衬底温度是制备优质WZO薄膜的关键因素．随着衬底温度升高，薄膜表面粗糙度先增大后减小；衬底温度较高时，薄膜的结构致密，结晶质量好，电子迁移率高．当衬底温度为325。C时，WZO薄膜获得最低电阻率9．25×10-3Q．cm，方块电阻为56．24Q／口，迁移率为11．8cm。V_。．S_。，其在可见光及近红外区域(400---1500nm)范围的平均透过率达到85．7％．关键词：反应磁控溅射，ZnO薄膜，w掺杂，衬底温度PACS：81．05．

3、Dz，81．15．Cd，68．55．一a究者提出高价态差元素掺杂的手段，使得一个杂质原子可以提供多个电子，降低掺杂水平，从而有效1引言减小电子与掺杂原子之间的散射概率【4】'提高薄ZnO透明导电氧化物薄膜(ZnO．TCO)是一种膜的迁移率；不降低材料电学性能的前提下适当II．Ⅵ族、直接宽带隙半导体材料，其晶体结构呈降低载流子浓度，提高薄膜在近红外区的光学透过现六方纤锌矿结构．同传统的In203和SnO2透明率．关于高价态差掺杂TCO薄膜的研究主要有Mo导电薄膜相比，ZnO基透明导电薄膜具有廉价、掺杂In2

4、03．TCO薄膜(IMO)[一引，w掺杂In2O3．无毒、材料丰富、容易刻蚀以及耐H等离子体轰TCO薄膜(IWO)[9_1ll，以及Mo掺杂ZnO—TCO薄击等优点【，引，因此，逐渐成为硅基薄膜太阳电池膜(MzO)【12-15]，并且取得了一定的研究成果．然透明电极的重要选择之一[3]_目前，制备ZnO薄而，对于w掺杂ZnO．TCO薄膜(wzO)【0—2]研究膜通常采用B，AI，Ga等元素掺杂来提高薄膜的导相对较少．电性能．B3+，A13+，Ga3+均呈正三价，一个掺杂离本文采用高价态差w掺杂ZnO，一个

5、w0+子进入ZnO晶格中替代Zn2+，能够提供一个多余替代晶格中的Zn0+可以提供4个多余的电子，的电子，用以提高薄膜的导电性能．但是该类薄膜以实现不影响电学性能的前提下降低薄膜的掺在长波区(800__1100nm)的透过性能因较强的自杂水平，提高薄膜长波区透过率．同时，W6+的半由载流子吸收而有明显的下降趋势．为此，一些研径(0．062am)与Zn+(0．074am)的近似，也为W6十国家重点基础研究计划(批准号：2011CBA00705，2011CBA00706，2011CBA00707)、国家高技术

6、研究发展计划(批准号：2009AA050602)、科技部国际合作项目(批准号：2009DFA62580)、天津市应用基础及前沿技术研究计划(批准号：09JCYBJC06900)和中央高校基本科研业务费专项资金项目(批准号：65010341)资助的课题．十E—mail：cxlruzhou@163．corn⑥2012中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／wulixb．hy．O,C．ca238101．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．23(2012)23810

7、1替代Zn2+提供了可能性．型紫外．可见一近红外分光光度计表征薄膜的光学薄膜的生长及其光电性能强烈地依赖于薄膜透过率，D—max／2500型x光衍射仪分析薄膜的结沉积技术及生长工艺．目前针对磁控溅射技术制晶性能，S-4800型场发射扫描电子显微镜(SEM)备WZO薄膜多采用陶瓷靶，也有采用金属镶嵌混和SPA一400型原子力显微镜(AFM)分析薄膜的表合靶．为了降低成本，本文采用zrO3合金靶制面形貌．备WZO薄膜，此类研究在国际上尚未见详细报道．本论文详细研究了衬底温度对WZO薄膜微观结3实验结果与讨论构

8、、表面形貌以及光电性能等方面的影响．3．1结构特性2实验方法图1是不同衬底温度下制备的WZO薄膜的x实验采用JGP．320型反应磁控溅射系统生射线衍射(XRD)图谱(图l(b)为(a)的放大)．从图长WZO薄膜，靶材采用高纯度(纯度：99．99％)中可以看出，所有样品中ZnO的(002)衍射峰最Zn／WO3合金靶(掺杂剂WO3质量百分比为1．0％)，强，说明WZO薄膜是具有六方纤锌矿结构的多衬底为普通浮法玻璃．镀膜前将玻璃放入