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Ga掺杂ZnO明导电薄膜的制备与特性分析
中文摘要摘
中文摘要
摘 要
ZnO薄膜是一种II.VI族直接宽带隙半导体材料,具有资源丰富、无毒性、在 等离子体中稳定等优点,被认为是最有希望取代广泛使用的、稀有而昂贵的锡掺 杂氧化铟(ITO)的透明导电膜,在太阳能电池、液晶显示器、发光器件、气敏传感 器等光电产业领域具有广阔的应用前景,近年来已引起了国内外的广泛关注。但 本征ZnO的导电性能较差,为提高其导电性能和稳定性,常用舢、hl、Ga等III 族元素掺杂,其中研究较成熟的是Al掺杂ZnO。与Al掺杂ZnO薄膜相比,Ga 掺杂ZnO(ZnO:Ga)薄膜具有抗氧化性更强、晶格变形更小等特点,目前,ZnO:Ga 薄膜的研究报道相对较少,有必要对其进行系统的研究,为其在光电器件等方面 的应用奠定基础。
本论文利用射频磁控溅射法在玻璃和石英衬底上制备了ZnO:Ga薄膜;用 XRD、SEM、XPS、Hall测试和紫外.可见.红外分光光度计等测试手段对沉积的薄 膜进行了表征和分析;研究了ZnO:Ga薄膜的结构、形貌、成分、导电、透光、热 电和N02气敏特性,计算了薄膜的光学常数,并研究了光致发光性质。得到的主 要结果如下:
①所制备的ZnO:Ga薄膜为多晶纤锌矿结构。薄膜表面平整、致密,具有c 轴择优取向。提高衬底温度、减小溅射压强、增加膜厚、提高溅射功率,在空气 和氮气中退火有利于提高薄膜结晶度,掺杂浓度为3at.%的薄膜的结晶度最优。
②ZnO:Ga薄膜中含有Zn、Ga、O和C元素,提高衬底温度,薄膜中Ga和 氧空位的浓度均增大,导致载流子浓度增大,利于薄膜导电性能的提高。
③ZnO:Ga薄膜为n型导电,其光电性能与制备参数密切相关,衬底温度越 高、溅射压强越小、薄膜越厚、溅射功率越大,利于提高薄膜的导电性能,而在 空气和氮气中退火后薄膜的导电性能降低。ZnO:Ga薄膜在可见光范围的平均透光 率一般可达80%以上。增加溅射压强、溅射功率和进行退火处理利于提高薄膜的 透光率,衬底温度和Ga掺杂浓度对透光率没有明显影响。综合考虑导电性和透光 性,获得了最佳工艺条件:衬底温度300℃、Ga掺杂浓度3at.%、溅射压强2.0Pa、 溅射功率150W、溅射时间2h、靶基距7.0cm,在该条件下制备的ZnO:Ga薄膜, 电阻率为1.41xlO。Q·cm,透光率超过85%,达到了透明导电膜的性能要求。
④ZnO:Ga薄膜有显著的塞贝克效应,其塞贝克系数为负值,进一步说明其11 型导电特征。典型地,衬底温度200。C下,3at.%Ga掺杂ZnO薄膜的塞贝克系数 为一54.31I.tV/K,功率因子为7.53x10。5W/K2ffl。磁场作用下,ZnO:Ga薄膜具有较强 的磁阻效应和磁热电效应,磁感应强度越大,磁阻和磁热电效应越明显。
重庆大学博士学位论文⑤ZnO:Ga薄膜的光学带隙与制备参数有关。提高衬底温度和溅射功率、降
重庆大学博士学位论文
⑤ZnO:Ga薄膜的光学带隙与制备参数有关。提高衬底温度和溅射功率、降 低溅射压强,光学带隙增大;增加Ga掺杂浓度和膜厚,光学带隙先增加后减小; 在空气和氮气中退火,光学带隙减小。
⑥ZnO:Ga薄膜的光致发光谱由一个近带边发射峰和多个深能级发射峰组成, 其中位于467nm处的蓝光深能级发射峰最强。在空气和氮气中退火后,薄膜的深 能级发射峰强度变大,与光生非平衡载流子的辐射复合增加有关。
⑦对比了Swanepoel和无约束优化方法的计算结果,发现无约束优化方法计 算的膜厚和拟合的透射光谱与实测值更为吻合,优于Swanepoel方法。
⑧用无约束优化方法计算了多种厚度ZnO:Ga薄膜的光学常数(包括膜厚在 100nm以内的较薄的薄膜),结果表明:ZnO:Ga薄膜的折射率在紫外区域随着波 长的增加而急剧减小,在可见光区介于1.73至2.15之间,变化较小。在435.600nm 波长范围,膜厚越大,折射率越小。消光系数在紫外区域随波长的增加急剧下降, 在可见光区域,变化缓慢,逐渐趋于0。
⑨ZnO:Ga薄膜具有较好的N02气敏性能,Ga掺杂含量为lat%的ZnO薄膜 在250℃时,气敏性能最好,对5ppm和200ppm N02气体的灵敏度分别为2.34和
】35.90。
关键词t ZnO:Ga薄膜,光学特性,电学特性,热电特性,气敏特性
II
英文摘要AB
英文摘要
AB STRACT
ZnO film is a II-VI semiconductor material with a wide direct band gap.Due to its various advantages,such as abundance,non-toxicity,good stability in plasma ere,it is considered as the
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