氢和铝掺杂的ZnO透明导电薄膜的制备和性能

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	氢和铝掺杂的ZnO透明导电薄膜的制备和性能
	鲁伟明
学位类型	博士
导师	牛焱
	2011
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	腐蚀科学与防护
关键词	射频磁控溅射透明导电氧化物薄膜 Zno 低温沉积表面功函数应力氢气
摘要	"透明导电氧化物（TCOs）薄膜是一种宽禁带半导体（2.5-4.5eV）, 具有低电阻和可见光区高透过率。目前，TCO薄膜主要包括SnO2、 In2O3、 ZnO及其掺杂物，广泛应用于表面声波器件、平板显示器装置、气体传感器、光波导及红外反射窗口太阳能电池的透明电极等。在太阳能电池领域，TCO作为窗口材料、透明电极，应用于各种太阳能电池，如非晶硅（a-Si）、微晶硅(mc-Si)太阳能电池，受到越来越多的关注。在过去20年中， In2O3：Sn(ITO)薄膜一直是最常用的透明导电薄膜，然而，较高的使用成本、有毒及在还原性气氛下稳定性较差等缺点限制其进一步的应用。相比之下， ZnO:Al薄膜原料丰富、无毒、稳定性更高，具有同ITO薄膜可比拟的光电特性，因此，ZnO:Al薄膜被认为是ITO薄膜的强有力的替代者，在太阳能电池方面的应用有诱人的前景。本论文侧重于 ZnO 基透明导电氧化物薄膜的制备、表征、性能及其应用的研究。采用射频磁控溅射技术溅射ZnO:Al2O3和ZnO陶瓷靶材，详细研究了各种工艺沉积参数：沉积温度、溅射功率、氢气流量对 ZnO:Al、ZnO:H和 ZnO:( H, Al)薄膜的光电性能、工艺窗口、稳定性的影响；利用 XRD、SEM、KPFM 等仪器对薄膜的组织结构、表面形貌及表面功函数进行了表征分析；并讨论了薄膜的光学特性及散射机制。 ZnO: Al 、 ZnO:H 和 ZnO: (H ,Al) 薄膜均呈现（002）择优取向，织构的形成可归结于（002）密排面在平衡态时具有最低的表面自由能。在ZnO薄膜中掺入氢气会增强ZnO:H薄膜的（002）择优取向，源于在低温下氢原子对薄膜起到了类似“退火”的作用，而ZnO: (H,Al)中的氢气会破坏薄膜的（002）择优取向，源于氢原子的刻蚀作用降低了到达靶材粒子在薄膜表面的迁移能力导致了三维方向的形核趋势的增加。在ZnO中掺入氢气会造成晶粒变小，可归结于形核率的增加，氢原子的刻蚀作用对晶粒生长的阻碍。氢的掺入造成了薄膜内部很大的压应力，而薄膜的应力与氢气的流量并不成正比，归结于变小后的晶粒之间的融合所致。对于AZO薄膜，最低电阻率出现在薄膜的（002）择优取向最强，压应力最小的时侯，而对于ZnO:H和ZnO:(H,Al)薄膜则出现在应力很大的时侯。 ZnO:H薄膜的电学性能对衬底温度和氢气流量很敏感，在室温下制备的薄膜具有最低的电阻率和最好的稳定性。归结于薄膜的晶界被氢原子所钝化，温度的升高导致薄膜中的氢含量的减少。ZnO:H薄膜具有优异的光学性能，在可见光区甚至是红外光区都有很高的透过率，有的接近100%，并且对工艺参数并不敏感。衬底上不同位置沉积的ZnO:H薄膜性质有很大差异。对应于靶材边缘的薄膜显示出最低的电阻率和良好的稳定性，而位于中心区域和对应于刻蚀区域的薄膜则具有很高的电阻率和极差的稳定性。我们认为是氢原子数量和活性分布不均匀造成的。 ZnO:(H,Al) 薄膜的优化沉积温度相比ZnO:Al薄膜有了很大的降低，甚至降到了室温。氢气的掺入一方面以浅施主的形式存在增加了载流子浓度，一方面也提高了Al的掺杂效率。氢气的掺入改变了薄膜的表面形貌，在小流量下，薄膜变得平滑，而大流量下则变得粗糙，因此具有很好的陷光效果。薄膜的表面粗糙度随着温度的改变变化很小，而随着功率的变化是仅在择优取向最强时最大，其余功率下都很低。在低铝含量的靶材制备的薄膜中，氢气对载流子的贡献更大，从室温到200oC制备的薄膜的电阻率相近，具有极宽的工艺窗口。薄膜的光电性能相互关联。载流子浓度的增加将导致薄膜吸收的增大，因此提高载流子迁移率而不是载流子浓度将是降低薄膜电阻率的最佳办法。在衬底温度为100℃时，薄膜呈现较为明显的柱状生长，具有较高的载流子浓度（8×1020cm-3 ）、迁移率（15cm2/(Vs)）及最低的电阻率（3.85×10-4Ωcm）。实验中发现，随着载流子浓度的增加而出现能带宽化的现象。通过铝的掺杂效率和电子平均自由程的计算表明：对于ZnO:H 和ZnO:(H,Al)薄膜的载流子输运机制，离化杂质散射为最主要的散射机制,同时晶界散射机制也应该考虑。薄膜的表面功函数与薄膜的表面成分相关，随着氢气流量和其他参数的变化而在4.4-5.0eV之间变化，制备了高表面功函数的透明导电薄膜，为在有机发光中应用奠定了良好的基础。"
其他摘要	"TCOs are wide-bandgap semiconductors with a bandgap of about 2.5-4.5eV.The characteristics of such films are low electrical resistivity and high transparency in the visible region. At the moment, the principal TCO materials include various metallic oxides of cadmium,tin,zinc,indium,and their corresponding alloys in thin-films form,such as tin oxide(SnO2),indium-tin oxide(ITO),and zinc oxide(ZnO).These TCO materials have been of interest for application in acoustic wave (SAW) devices,electro-optic modulators, flat panel displays,organic light emitting diodes(OLED) and photovoltaic devices. In the photovoltaic community, TCOs have received growing attention as window material, transparent electrode in different types of solar cells, such as amorphous silicon (a-Si) cells, microcrystalline silicon cells (mc-Si). ITO has been the most commonly selected TCO material for application in solar cells in the past twenty years due to its combined properties of both high visible transmittance and low electrical resistivity.However, indium is a relatively scarce element in the earth’s crust.ITO’s high cost, toxicity and instability restrict its further applications."
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64324
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	鲁伟明. 氢和铝掺杂的ZnO透明导电薄膜的制备和性能[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2011.