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以射频磁控加偏压沉积氧化锌铝透明导电薄膜-建国科技大学
氮鋁共摻雜P型氧化鋅透明導電薄膜之研製
黃勝斌 蔡欽州
建國科技大學電機工程系E-mail: sbhwa@ctu.edu.tw
摘要
本研究利用射頻磁控濺鍍法以N2O為氮源,採用氮-鋁共摻雜(co-doping of N and Al)的方式,在N型矽基板上沉積P型氧化鋅透明導電薄膜(NAZO),並探討不同N2O流量比(0%到90%)對所成長薄膜結構及光電特性的影響。實驗結果顯示薄膜的成長速率、X-射線繞射峰值強度及導電率等特性都會隨著N2O流量比的增加而增加然後下降。當N2O流量比在40%時,NAZO薄膜有較低電阻率約為10.2-cm,電洞濃度及移動率分別為1.5x1017 cm-3及3.7 cm2V-1s-1,且在可見光波長範圍內,整體的薄膜穿透率大於80%。
關鍵詞:氮-鋁共摻氧化鋅、N2O、射頻磁控濺鍍
Abstract
In this study, nitrogen and aluminum co-doped ZnO(NAZO) thin films are deposited on n-type silicon substrates by RF magnetron sputtering system with the N2O flow ratio changing from 0% to 90%. As 40% volume ratio of N2O is introduced, the NAZO films exhibits the best p-type conductivity with a resistivity of 10.2Ω-cm, a hole concentration of 1.5x1017cm-3 and a hall mobility of 3.7cm2V-1s-1. An average transmittance of about 80% in the visible range, and a red shift of the band gap energy is observed with increasing the N2O flow ratio.
Keyword:AZO、RF magnetron sputter
1、前言
透明導電薄膜材料(Transparent Conductive Oxide, TCO)應用於平面顯示器是光電產業中重要且熱門的研究題目之一[1],隨著半導體技術不斷進步,透明導電薄膜的應用與發展亦更加廣泛。目前透明導電薄膜的應用是以銦錫氧化物(Indium Tin Oxide,ITO)為主流。相較於ITO,eV),並具有較高的激子束縛能(exciton binding energy, ZnO≒60meV, GaN≒25meV),未摻雜的純氧化鋅薄膜,其電傳導主要是由化學計量比的偏差產生,由本體缺陷(Native defect)氧空缺(Oxygen vacancies)及鋅間隙原子(Interstitial zinc)之淺層施體能階提供[2]。
ZnO薄膜製程技術有射頻濺鍍(R.F. magnetron sputtering)[3,4]、直流濺鍍(DC magnetron sputtering) [5]、離子噴塗法(Ion plating)[6]、化學氣相沉積法(CVD)[7]、有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)[8]、分子束磊晶法(MBE)[9]、脈衝雷射沉積法(PLD)[10]、熱分解法(Spray pyrolysis)[11]等,本質ZnO薄膜的導電率(conductivity, σ)太低,限制了ZnO薄膜在光電元件上的應用,但經由添加三價元素:In[12]、Al[13]、Ga[14]等,改善其光電特性。目前透明導電薄膜材(TCO)多屬於N型半導體氧化物,若要轉變為P型導電性質,以五價元素(N、P、As、Sb)[15]-[17]來取代O原子,則可以增加電洞載子濃度,藉此將N型電性轉換成P型電性。Joseph及Yamamoto等人[18],[19]則提出共摻雜(co-doping)的方式,有助於增加氮在薄膜中的溶解度,以利於P-type ZnO的製作,可與N型的材料匹配發展透明導電氧化物之光電元件,例如製作成透明P-N二極體。本研究使用射頻磁控濺鍍法以N2O為氮源,採用氮-鋁共摻雜方式在N型矽基板上沉積氮-鋁共摻雜的NAZO透明導電薄膜,討論不同N2O流量比對薄膜結構及光電特性的影響。
2、實驗方法及步驟
本研究利用雙靶磁控射頻濺鍍(RF magnetron co-sputtering system)設備,於N型矽基板上沉積NAZO透明導電薄膜。我們使用一個AZO(ZnO含3wt.%Al2O3)靶材做為濺鍍源,矽基板經過丙酮及異丙醇超音波清洗後,再以去離子水
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