衬底温度对反应溅射ZnO:Al透明导电薄膜性能的影响

【摘要】本文利用磁控溅射工艺和Zn：Al合金靶在玻璃衬底上制备了ZnO：Al透明导电薄膜，研究了不同衬底温度对薄膜的电学、光学以及结构性能的影响。 2.实验 采用中频磁控溅射系统制备ZnO：Al...

【摘要】衬底温度在反应溅射制备zno：al薄膜过程中是一个重要的工艺参数，直接决定这薄膜的性能。本文用中频脉冲磁控溅射方法，采用锌铝合金（Al的含量为2%）靶，在衬底温度170℃，工作压力2.5mTorr，氧氩比3/18的条件下，制备了ZnO：Al薄膜，利用X射线衍射仪对薄膜的结构进行了分析，利用分光光度计和四探针法测量了薄膜的光学和电学性能，研究了制备薄膜时不同的衬底温度对薄膜的结构、电学、光学性能的影响，结果表明，随着衬底温度的升高，薄膜的电阻率先下降后上升，而可见光范围平均透过率在85%以上，当衬底温度为170℃，工作压力2.5mTorr，氧氩比3/18时，薄膜电阻率最低为2.16×10-4Ω?cm，方块电阻30Ω时，在可见光光范围内平均透过率高于85%。

【关键词】磁控溅射；ZnO：Al薄膜；衬底温度；电阻率；透过率

1.引言

氧化锌时一种具有典型的纤锌矿结构的材料，禁带宽度约为3.3eV，属于宽带隙半导体。氧化锌的本征材料电阻率高于106Ωcm，通过掺杂Ⅲ族元素（B，Al，Ga、In等）可以使其导电性大幅提高，最高可以达到10-4Ωcm量级[1、2]。同时氧化锌透明导电薄膜还具备无毒、廉价的特点以及在等离子体中高稳定性等特点；这使它在光电器件特别是薄膜太阳能电池领域存在巨大的发展潜力[3、4]。

目前制备ZnO透明导电薄膜的的方法有很多种，其中包括热解喷涂[5]、磁控溅射[6、7]、MOCVD[8]等。热解喷涂法工艺简单，但是存在原料利用率低、薄膜均匀性差等缺点；MOCVD法沉积速率较高，但是成膜在衬底上的附着力较差，同时原材料的价格也很昂贵；用磁控溅射法沉积掺Al的ZnO薄膜具备沉积速率高，成膜质量好，价格低廉等优势，因此国内外很多研究机构都采用这种工艺对ZAO薄膜的特性进行分析和研究。

本文利用磁控溅射工艺和Zn：Al合金靶在玻璃衬底上制备了ZnO：Al透明导电薄膜，研究了不同衬底温度对薄膜的电学、光学以及结构性能的影响。

2.实验

采用中频磁控溅射系统制备ZnO：Al薄膜，系统本底真空为3.5×10-3Pa，溅射靶材为300×100mm2掺杂2wt%Al的Zn：Al合金靶，纯度为99.99%。采用美国AE公司中频脉冲直流电源可以有效的消除溅射过程中的打火现象，防止靶中毒。基体加热装置采用钨丝加热，用热电阻作温度传感器。工作气体为氩气，反应气体为氧气，溅射过程中采用MKS薄膜气压计监测气压。衬底为载波片，实验前经丙酮、去离子水超声清洗。实验时本底真空4.5×10-3Pa，在到达衬底温度后一个小时开始实验，靶材需用纯氩进行10分钟的预溅射以消除靶表面的氧化层，其它工艺参数图表1所示：

表1 溅射沉积ZnO：Al薄膜所用的工艺参数溅射功率（W） 工作压力（mTorr） 氧氩比 靶距（cm）

180 2.5 3/18 5

薄膜的方块电阻用四探针法测量，用VSU2-P分光光度计测试薄膜的透过率，用GTP-S型激光椭偏仪测试薄膜厚度、用X射线衍射测定薄膜结构（2θ=10o～80o）。

为了考察反应溅射过程中不同衬底温度对薄膜的性能的影响，按照表1所列的沉积工艺，在工作压力2.5mTorr、氧氩比3/18时，不用的衬底温度（50℃、100℃、170℃、250℃）下制备了ZAO薄膜。

3.结果与分析

3.1 衬底温度对ZnO：Al薄膜结构性能的影响

图1是在不同衬底温度下制备的ZAO薄膜的X射线衍射谱。图2是不同衬底温度下的ZAO薄膜的X射线衍射所对应的半高宽（FWHM）值。

图1 不同衬底温度下制备薄膜的XRD曲线

图2 衬底温度与薄膜特征峰半高宽的关系

从图上可以看到，当衬底温度从50℃升高到170℃时，（002）面的衍射峰明显增高，且变得更尖锐，衍射峰半高宽同时减少，但当衬底温度超过170℃继续增加时，半高宽增加。分析原因，主要是随着衬底温度的提高，薄膜的（002）衍射峰逐渐增高，衍射峰半高宽减小，晶粒尺寸增大，晶界缺陷密度降低，使薄膜的晶化得到改善，这也导致载流子浓度和迁移率增大，从而薄膜电阻率降低，当衬底温度超过170℃以上时，薄膜的结晶更加完善，缺陷密度大量减少，会导致电阻率上升。

3.2 衬底温度对ZnO：Al电学性能的影响

衬底温度对薄膜电阻率的影响如图3所示，从图上可以看到，随着衬底温度的升高，薄膜电特性得到改善，电阻率逐渐下降，到170℃时得到的薄膜的电阻率最低为2.16×10-4Ωcm，随着温度的进一步升高，电阻率又呈增大趋势在较低的衬底温度下，薄膜的结晶程度较差，晶粒尺寸较小，导致晶界增多，迁移率和载流子浓度较低，因此薄膜的电阻率较高，导电性能较差。随着温度的提高，薄膜中结晶化程度提高，晶界减少，缺陷态密度减少，薄膜的导电性能提高，在170℃时薄膜的电特性最好为2.16×10-4Ω.cm，温度继续升高则导致衬底表面活性变大，这时溅射到衬底表面的Zn粒子在衬底表面迁移很快，与O2反应几率加大，难以Zn原子形式存在于基片表面，故易形成接近化学计量比的ZnO膜，从而使ZAO薄膜的电学性能变差[9-11]。

图3 衬底温度对ZAO薄膜电阻率的影响

3.3 衬底温度对ZnO：Al薄膜光学特性的影响

图4是衬底温度对薄膜透过率的影响曲线，从图上看到，薄膜在可见光范围内具有较高透过率，同时伴随温度的增加，薄膜透过率略有提高，这可能是ZnO晶化随着温度升高越来越好的缘故，在光的吸收边界还出现了“蓝移”现象，但是总的来讲，在可见光范围内，衬底温度对薄膜的透过率影响较弱。[12]

图4 不同衬底温度下的薄膜透过率曲线

4.结论

（1）采用Al含量为2%（质量分数）的锌铝合金靶材，利用中频磁控溅射的方法可以制备出高性能的ZAO薄膜；当工作压力为2.5mTorr，衬底温度为170℃，氧氩比为3/18时得到的ZnO：Al薄膜具有最优良的性能，电阻率，最低为2.16×10-4Ω.cm，方块电阻为30Ω时，可见光范围内（400～800nm）的平均透过率大于85%。

（2）衬底温度影响ZnO：Al薄膜的结构及光学电学性能，在本文的工艺条件下当衬底温度低于170℃时，随着温度的增加，薄膜电阻率越低，当温度高于170℃时电阻率呈增大趋势。

参考文献

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[12]Gopala Swamy H，et al.Prepartion of ZnO films by activated reactive evaporation.Semicond.Sci.Technol.，1990，5：980.

作者简介：余嘉晗（1987—），女，浙江天台人，在职研究生，现就读于北方工业大学学信息工程学院2011级，研究方向：集成电路工艺。