柔性基ZnOAl透明导电薄膜材料的制备与性能研究.pdf

华中科技大学
博士学位论文
柔性基ZnO:Al透明导电薄膜材料的制备与性能研究
姓名:王晓晶
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:于军
2011-05-23
华中科技大学博士学位论文
摘要
本文采用射频磁控溅射法,首次在透明柔性聚合物 TPT 材料衬底上制备了掺铝
氧化锌透明导电薄膜(ZAO),研究了关键工艺参数对薄膜结构及光电性能的影响,
并与玻璃衬底上制备的 ZAO 薄膜性能进行对比分析;结合实验测试结果,对 ZAO
薄膜的导电性能进行了仿真分析和实验验证,并对其透光性能进行了分析;最后研
究了 TPT 柔性基 ZAO 薄膜的绒面结构刻蚀工艺,成功制备出具有良好陷光效果的绒
面 ZAO 薄膜。主要研究工作如下:
选用柔性透明 TPT 和玻璃衬底,改变 ZnO 靶材中 Al2O3 的掺杂浓度、Ar 气压强、
溅射功率、溅射气氛等工艺参数,制备 ZAO 薄膜,利用 XRD、SEM、XPS、Raman、
UV-vis、Hall 测试系统等多种测试分析手段,研究了 ZAO 薄膜的微观结构与光电性
能。研究结果表明,两种衬底上制备的 ZAO 薄膜均为六角纤锌矿结构的多晶材料,
具有垂直于衬底的 c 轴择优取向。ZnO 靶材中 Al2O3 的重量百分比为 2%时,ZAO 薄
膜的结晶质量和平整度及薄膜导电性能较好。低溅射气压制备的薄膜更加致密,结
晶较好;Ar 气压力为 1Pa 时,玻璃衬底上制备的 ZAO 薄膜的品质因子最大,为
−1cm−1。随溅射功率增加,ZAO 薄膜晶粒尺寸增加,导电性能改善,晶粒
尺寸可达 400nm 左右,且薄膜内的应力降低,在 150W 时最低为 ,当功率
超过大约 160W 时,薄膜应力由拉应力变成压应力。少量的 H2 可改善 ZAO 薄膜结
晶质量,H2 的引入使薄膜的 O 1s 峰向更低结合能移动,薄膜电阻率随氢的增加先降
-4
低后增加,当 H2 流量为 m 时,玻璃衬底上薄膜电阻率最低为 ×10 Ω·cm,载
流子浓度为 ×1020cm-3,霍尔迁移率为 cm2/Vs。ZAO 薄膜在 590nm 附近有一
发光带,气氛中加入 O2 时,发光带强度降低,分析认为与锌氧化学计量比失衡引起
的缺陷能级有关。SiO2 缓冲层可以改善 ZAO 薄膜结晶质量,减小薄膜的晶格畸变,
降低薄膜内存在的应力,提高薄膜中载流子浓度,从而提高薄膜的导电性能。室温
下 TPT 衬底上制备 ZAO 薄膜时,当溅射功率 120W、工作气压 1Pa、薄膜厚度 800nm、
氢/氩流量比为 5%时薄膜具有良好的光电性能:薄膜可见光平均透过率约为 72%、
电阻率为 ×10-3Ω·cm,载流子浓度为 ×1020cm-3,霍尔迁移率为 cm2/Vs。
I
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建立了载流子迁移率模型,对 ZAO 薄膜电学特性进行了仿真分析,并结合测试
结果进行实验验证,并对其透光性能进行了分析。发现替位 Al 原子形成的载流子是
ZAO 薄膜的主要载流子来源。当载流子浓度在 1018cm-3 量级及以下时,晶界散射是
影响薄膜导电性能的主要因素。当载流子浓度达到 1020cm-3 量级时,离化杂质散射是
影响其导电性能的主要因素,且载流子迁移率与载流子浓度的- 次方成正比。
载流子浓度处于两者之间时,同时存在晶界散射和离化杂质散射等多种散射机制。
在实验得到的载流子范围内(≤1020cm-3),ZAO 薄膜的光学带隙随着载流子浓度的增
加出现宽化现象,光学带隙与载流子浓度的 2/3 次方基本呈线性关系。可见光透过率
与薄膜晶粒尺寸及表面粗糙度有关,随着晶粒尺寸的增加和粗糙度的降低,薄膜的
透光性能得到改善。
采用乙酸溶液,对TPT衬底上的ZAO薄膜进行了刻蚀。当乙酸浓度为1%,刻蚀
时间为10s时,薄膜表面呈金字塔结构,光散射能力改善,薄膜在可见光内的透过率
约为60%,方阻约为260Ω/□。

关键词:透明导电薄膜 ZnO:Al TCO 柔性衬底磁控溅射
光电性能迁移率模型绒面结构仿真分析
II
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Abstract
Al-doped zinc oxide (ZAO) transparent conducting films have been prepared firstly
by RF ron sputtering method flexible TPT substrates. The dependence of structura