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快速退火对AZO透明导电薄膜特性的影响

作　者: 姜丽莉
导　师: 杨田林
学　校: 山东大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 快速退火直流磁控溅射 AZO薄膜光电特性禁带宽度
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

透明导电氧化物(TCO)薄膜因具有优良的光电性能而备受关注。目前,应用较为广泛的是铟锡氧化物(ITO)薄膜,但由于铟为稀有元素,在自然界的贮存少,价格高且有毒；这些使得ITO薄膜的应用受到了限制。而氧化锌(ZnO)以及掺杂的氧化锌薄膜有稳定性好、原材料丰富、价格低廉以及无毒等优点,逐渐受到青睐。根据不同的应用,在ZnO薄膜中掺杂不同的元素,主要掺杂元素有Al,Ga,In,B,Si,Ge,Ti,Zr以及F等,这些薄膜的制备比较容易实现,且具有优异的性能。其中,ZnO掺Al(AZO)薄膜具有优良的光电特性和稳定性。然而AZO薄膜与衬底之间的晶格失配较大,两者的热膨胀系数也相差较大,这就导致了AZO薄膜中存在着残余应力。退火是消除应力改善薄膜性能的重要方法。快速退火(RTA, Rapid Thermal Annealing)采用卤钨灯作辐射热源,它升、降温的速率快,大大减小了样品表面氧吸附几率。因此采用快速退火的方法对AZO薄膜进行后处理以改善其性能。本论文采用直流磁控溅射法在玻璃衬底上制备了完全相同的两组AZO薄膜。一组在0.5 Pa的真空度下以500℃为固定温度进行快速退火,其退火时间分别为：30s、60s、90s以及120s,研究退火时间对薄膜结构(表面形貌、应力和结晶状况)、光电特性的影响；另一组在0.5 Pa的真空度下以60s为固定时间进行快速退火,其退火温度分别为：300℃,500℃,550℃以及600℃,研究退火温度对薄膜结构(表面形貌、应力和结晶状况)、光电特性的影响。采用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、霍耳测试仪以及紫外-可见光分光光度计等分别对AZO薄膜的表面形貌、结构、电学和光学性质进行测量。AZO薄膜在未退火时,其品质因子为1.04×10-2Ω-1。其表面均方根粗糙度(Rrms)为4.61nm；衍射峰的峰位为34.19°,晶粒大小为36.2nm,薄膜表面的应力为-2.95×109N／m2；其电阻率为9.90×10-4Ω·cm,载流子浓度为6.23×1020cm-3,迁移率为10.03cm2·v-1·s-1；其平均透过率为83.2%,禁带宽度为3.70eV。随着快速退火温度的增加,退火时间的延长,AZO薄膜的表面平整度得到改善,趋于平滑；其衍射峰的峰位逐渐靠近标准的ZnO晶体衍射峰(34.40°),AZO薄膜表面的应力逐渐减小,且晶粒慢慢长大；AZO薄膜的电学性质也得到改善,透过率进一步提高。当快速退火温度为500℃,退火时间为60s时,AZO薄膜品质因子最佳为8.41×10-2Ω-1；其表面粗糙度Rrms为3.48 nm；衍射峰的峰位为34.28°,晶粒大小为43.4nm,薄膜表面的应力为-1.71×109N／m2；此时AZO薄膜的电阻率为3.47×10-4Ω·cm,载流子浓度为1.23×1021cm-3,迁移率为14.67 cm2.v-1·s-1；其平均透过率为92.3%,禁带宽度为3.75eV。

全文目录

中文摘要  10-12
ABSTRACT  12-14
符号说明  14-15
第一章绪论  15-25
  1.1 概述  15-16
  1.2 透明导电薄膜的种类及其基本特性  16-18
    1.2.1 金属透明导电薄膜  16-17
    1.2.2 氧化物透明导电薄膜  17
    1.2.3 有机高分子化合物透明导电薄膜  17-18
  1.3 AZO透明导电薄膜的研究状况  18
  1.4 AZO的特性以及制备方法  18-22
    1.4.1 AZO薄膜的特性  18-19
    1.4.2 AZO薄膜的制备方法  19-22
      1.4.2.1 真空蒸发镀膜  19-20
      1.4.2.2 溅射镀膜  20
      1.4.2.3 离子束成膜技术  20-21
      1.4.2.4 化学气相沉积  21
      1.4.2.5 脉冲激光沉积  21-22
      1.4.2.6 溶胶-凝胶法  22
      1.4.2.7 喷涂热分解法  22
  1.5 薄膜后处理研究现状  22-24
  1.6 研究课题的选取  24-25
第二章样品的制备及测试  25-42
  2.1 AZO薄膜的制备  25-31
    2.1.1 射频磁控溅射系统  25-26
    2.1.2 溅射原理  26-29
      2.1.2.1 辉光放电  26-27
      2.1.2.2 辉光区的划分及溅射的形成  27-29
    2.1.3 AZO靶材的制备  29-30
    2.1.4 AZO薄膜的制备  30
    2.1.5 衬底的清洗  30-31
    2.1.6 溅射过程  31
  2.2 测试方法及原理  31-42
    2.2.1 薄膜厚度的测量  31-32
    2.2.2 X射线衍射(XRD)  32-33
    2.2.3 表面形貌的观测  33-34
    2.2.4 光学性质的测量  34-37
      2.2.4.1 透过率  34-35
      2.2.4.2 薄膜折射率  35-36
      2.2.4.3 薄膜的禁带宽度  36-37
    2.2.5 电学性质的测量  37-42
      2.2.5.1 四探针法  37-38
      2.2.5.2 霍尔效应  38-42
第三章快速退火  42-48
  3.1 薄膜应力及其模型  42-45
    3.1.1 薄膜内应力的影响因素  43-45
  3.2 快速退火的原理  45-46
  3.3 RTP-500型快速退火炉  46-47
  3.4 AZO薄膜快速退火的曲线  47-48
第四章快速退火的温度对AZO薄膜性能的影响  48-59
  4.1 退火温度对AZO薄膜结构的影响  49-53
    4.1.1 AZO相结构以及应力分析  49-52
    4.1.2 AZO表面形貌分析  52-53
  4.2 退火温度对AZO薄膜的电学特性的影响  53-55
  4.3 退火温度对AZO薄膜的光学性能的影响  55-58
  4.4 小结  58-59
第五章快速退火时间对AZO薄膜性能的影响  59-69
  5.1 退火时间对AZO薄膜结构的影响  60-64
    5.1.1 AZO相结构以及应力分析  60-63
    5.1.2 AZO表面形貌分析  63-64
  5.2 退火时间对AZO薄膜电学性能的影响  64-65
  5.3 退火时间对AZO薄膜光学性能的影响  65-68
  5.4 小结  68-69
第六章结论  69-71
  6.1 主要结果  69-70
  6.2 主要创新点  70-71
参考文献  71-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间发表的论文目录  81-82
学位论文评阅及答辩情况表  82

快速退火对AZO透明导电薄膜特性的影响

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