ZnO-SnO2透明导电薄膜光电特性研究【文献综述】.doc

毕业设计文献综述 电气工程与自动化 ZnO-SnO2透明导电薄膜光电特性研究 摘 要：随着电子信息产业的迅猛发展，透明导电薄膜材料被广泛应用于半导体集成电路、平面显示器、抗静电涂层等诸多领域，市场规模巨大。ZnO-SnO2膜能够同时具有ZnO膜的稳定性和SnO2膜优良的电学性能而作为一种全天候的透明导电材料，性能优良的ZnO-SnO2复合透明导电材料将有更加广阔的发展前景。 关键词：透明导电材料；氧化锌；氧化锡；折光率；电阻率 课题研究的背景 自然界中往往透明的物质不导电,如玻璃、水晶、水等，导电的或者说导电性好的物质往往又不透明,如金属材料、石墨等。但是在许多场合恰恰需要某一种物体既导电又透明,例如液晶显示器、等离子体显示器等平板显示器和太阳能电池光电板中的电极材料就是需要既导电又透明的物质。透明导电薄膜是薄膜材料科学中最重要的领域之一，它的基本特性是在可见光范围内，具有低电阻率，高透射率，也就是说，它是一种既有高的导电性，又对可见光有很好的透光性，而对红外光有较高反射性的薄膜。正是因为它优异的光电性能，它被广泛的应用在各种光电器件中，例如：平面液晶显示器（LCD），太阳能电池，节能视窗，汽车、飞机的挡风玻璃等。自从1907年Badeker制作出CdO透明导电薄膜以后，人们先后研制出了In2O3，SnO2，ZnO等为基体的透明导电薄膜[1]。透明导电膜有很多种，但是氧化物膜占主导地位，透明导电膜把物质的透明性和导电性这一矛盾的双方统一起来，透明导电膜以其接近金属的导电率，可见光范围内的高透光率，广泛应用于太阳能电池，显示器，气敏元件等领域。比如ITO薄膜以其优异的光电性能，在薄膜晶体管制造、平板液晶显示、太阳电池透明电极等方面有广泛应用，并有着一定的市场规模。经过近一个世纪的发展、目前透明导电膜主要有金属膜系、TCO、其他化合物膜系、高分子膜系等。目前世界研究最多的是掺锡In2O3（简称ITO）透明导电薄膜，掺铝ZnO（简称AZO）透明导电薄膜。同时，人们还开发了CdInO4、Cd2SnO4、Zn2SnO4等多元透明氧化物薄膜。ZnO-SnO2是一种金属氧化物膜，有许多文献报道，因其资源丰富、价格便宜、无毒进一步研究的空间大，有望替代ITO薄膜，从而解决铟资源短缺的困扰。 ZnO-SnO2复合膜的发展现状 SnO2基薄膜 SnO2（Tin oxide，简称TO）是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度Eg=3.6eV，n型半导体。本征SnO2薄膜导电性很差，因而得到广泛应用的是掺杂的SnO2薄膜。对于SnO2来说，五价元素的掺杂均能在禁带中形成浅施主能级，从而大大改善薄膜的导电性能。目前应用最多、应用最广的是掺氟二氧化锡（SnO2:F，简称FTO）薄膜和掺锑二氧化锡（SnO2:Sb,简称ATO）薄膜。SnO2:Sb薄膜中的Sb通常以替代原子的形式替代Sn的位置。掺杂Sb浓度不同，电阻率不同，最佳Sb浓度为0.4%-3%（mol）的范围对应电阻率为10-3Ω·cm，可见光透过率在80%-90%。SnO2:F薄膜热稳定性好、化学稳定性好、硬度高、生产设备简单、工艺周期短、原材料价格廉价、生产成本低，用热解法制得的FTO薄膜电阻率约为6×10-4Ω·cm,可见光范围内的透过率在80%以上。 ZnO基薄膜 ZnO是一类重要的宽禁带Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体材料，结构为六方纤锌矿型，属n型氧化物半导体，其直接禁带宽度为3.3eV，对可见光的透明性好。ZnO薄膜原料丰富、成本廉价、性能优异，成为国外科学工作者研究的热点。作为Ⅱ—Ⅵ族化合物的氧化锌，Ⅲ族元素和Ⅶ族元素原子可以占据Ⅱ族和Ⅵ族元素的位置而起施主的作用。在ZnO中掺入Ga、Al、In或F离子能改善ZnO薄膜的光学和电学性能[2]。其中ZnO:Al的研究最广泛和最深入，目前已经在薄膜太阳能电池中取得了部分应用。 ZnO-SnO2复合透明导电薄膜 图一：SnO2膜，ZnO膜，ZnO-SnO2复合膜的扫描电镜图 图一为SnO2膜，ZnO膜和ZnO-SnO2复合膜的SEM图，由图一可以看出SnO2本身具有绒面结构，表面比较粗糙。ZnO的表面比较平整，晶粒比SnO2小。ZnO-SnO2的表面也有绒面结构，但是比SnO2平整，大晶粒上面也有二三十纳米的ZnO小晶粒，ZnO晶粒填补了SnO2表面绒面结构的空隙[3]。 目前，ITO膜、ZnO:Al膜和SnO2:F膜是最常用的氧化物薄膜。然而ITO透明导电薄膜虽然有优良的光电性能，但是却存在铟扩散导致器件性能衰减问题；与ITO和SnO2相比，ZnO在氢等离子体中具有更好的稳定性，但ZnO存在表面和晶粒间界氧吸附导致电学性能降低的问题；SnO2存在难以刻蚀问题。上述种种原因，限制了他们的应用范围。近年来随着对新材料的不断探索，出现了两元氧化物甚至多元氧