研究与试制
薄膜厚度对直流溅射制备AZO 薄膜的特性影响
张 平，王连杰，杨 斌，宋淑梅，杨田林
(山东大学威海分校空间科学与物理学院，山东威海264209)
摘 要：采用直流磁控溅射法，当衬底温度为室温时，在普通玻璃衬底上制备出了低电阻率、
高透过率的ZnO ∶Al 透明导电薄膜。研究了薄膜厚度对薄膜结构以及光电特性影响。当薄膜厚度为930nm ，薄膜的光电特性最好，电阻率为4.65×10-4 ·cm ，可见光范围内的平均透过率为85.8%，禁带宽度约为3.51eV 。
关键词：直流磁控溅射；薄膜厚度；光电特性；禁带宽度
中图分类号:T N 305.8;T N 305.92 文献标识码:A 文章编号:1005-488X (2009)04-0261-04
Effect of Film Thickness on Properties of AZO Films
Prepared by DC Magnetron Sputtering
Zhang Ping ,W ang Lianjie ,Yang Bin ,Song Shumei ,Yang T ianlin
(School o f Sp ace Science and P hysics ,Shandong Univer sity at W eihai ,W eihai Shandong 264209,CH N )
Abstract :T ransparent and conductive thin films of ZnO doped Al w ith low resistiv ities,high transmittances have been pr epared by DC m ag netron sputtering on glass substrates at roo m tem-perature.The structural,electrical,and optical pro perties as a function o f film thickness w ere in-vestigated.When the film thickness is 930nm ,the film w ith resistiv ity of 4.65×10-4
・cm and
transmittance of 85.8%is obtained ,corresponding gap band is 3.51eV .Key words :DC mag netron sputtering ;film thickness ;optical and electrical properties ;band
gap
前 言
透明导电氧化物(TCO)薄膜因其具有优良的
光电性能，受到广泛的关注。较为成熟的In 2O 3体系中的In 2O 3∶Sn (ITO )薄膜已在太阳能电池、液晶显示器等领域获得广泛的研究和应用[1-2]。与当前广泛研究的IT O 薄膜相比，氧化锌(ZnO)薄膜具有更高
的化学与力学稳定性、更广泛的材料来源、更低的造价和更为环保的优点[3-4]。氧化锌是一种具有纤锌矿结构的直接带隙半导体材料，晶格常数为a =0.325
nm ,c=0.521nm ，在室温下ZnO 的禁带宽度为E g =3.36eV
[5]
。通常在制备过程中ZnO 薄膜会产生氧空
位和锌填隙的晶格缺陷，这些缺陷的自补偿作用使
ZnO 薄膜呈n 型导电，所以n 型ZnO 薄膜通过掺杂Al 、Ga 、In 或者富Zn 相对容易实现，且具有比较优
第29卷第4期
2009年12月
光 电 子 技 术
OPTOELECTRONIC T ECHNOLOGY
Vol.29No.4Dec.2009
稿件联系人
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60676041)；山东省自然科学基金资助项目(Y 2008A 37)作者简介：张 平(1988—)，女，本科生，研究方向：光电材料;
王连杰(1988—)，男，本科生，研究方向：光电材料。杨田林(1960—)，男，教授，主要从事氧化物半导体、半导体器件和发光材料的研究。(E -mail :yt lin @sdu .edn .
cn )
收稿日期:2009-07-08
异的性能[6]。在ZnO中掺杂Al后，形成AZO薄膜,
导电性能大幅度提高，电阻率降低[7]，稳定性提高。目前沉积AZO(ZnO掺杂Al)薄膜的主要方法有电
子束蒸发[8]、溶胶凝胶法[9]、激光脉冲沉积[10]、金属有机物化学气相沉积[11]、以及磁控溅射[12]等。
磁控溅射具有工艺简单，成膜均匀，成本低等优点，本文采用了工业生产中较为常用的直流磁控溅射法。对于直流磁控溅射法制备AZO薄膜的研究，研究较多的是制备条件对其影响，例如：溅射功率[13]、溅射气压[14]和退火温度[15]等。但是，薄膜厚度对AZO薄膜性质影响的研究很少，本文就此进行了详细的研究。
1 实 验
A ZO薄膜由MIS-500B型超高真空磁控溅射与离子束溅射联合设备制备，溅射方式是直流磁控溅射。靶材为ZnO∶Al2O3(靶材直径76mm，厚度为4mm，其中Al2O3的掺杂量为3.0%(wt)，纯度均为为99.99%)陶瓷靶材。衬底为普通玻璃，衬底与靶的距离为4.5cm。在制备AZO薄膜之前，将基片经丙酮、酒精和去离子水超声清洗，而后置于烘烤箱中烘干。溅射前本底真空达到1.5×10-4Pa。溅射气体为99.999%高纯氩气，氩气流量为30cm3/min，溅射气压0.7Pa，溅射功率120W。薄膜沉积之前，先预溅射30min以清除靶表面杂质。衬底温度为室温，溅射时间分别为1m in、2min、3min、4m in、6 min，对应薄膜厚度分别为:168nm、320nm、480 nm、780nm、930nm。
AZO的薄膜厚度采用台阶仪(Am bios T ech-no logy Com pany,U SA)测量；用四探针测量薄膜的方块
电阻；薄膜的结构采用Rigaku D/M AX 200V/PC X射线衍射仪(其衍射源为Cu-K 1)测量；使用Cary-100紫外-可见分光光度计测薄膜的透过率。
2 结果与讨论
由于溅射时间和薄膜厚度相对应，图1为不同溅射时间的AZO薄膜的X射线衍射谱，亦即不同厚度薄膜的衍射图谱。从图1可见，在20°～60°扫描范围图谱中，只出现了一个衍射峰，峰位分别为34.101°、34.196°、34.298°、34.304°、34.296°。即为
ZnO(002)晶面的衍射峰，不同厚度的薄膜均具有较好的c轴取向，且具有良好的结晶性能。这与文献
图1 不同溅射时间制备薄膜的X射线衍射谱
F ig.1 X RD patter ns of films deposited at differ ent
time
报道的一致[16-17]。随着溅射时间的延长，薄膜厚度的增加,(002)的衍射峰越来越尖锐,(002)择优取向更加明显，这表明薄膜的结晶度越来越好。晶粒大小可以由Scher rer公式计算得到:
D=
0.9
!cos∀(1)其中取0.154506nm,∀为衍射角,!为衍射峰半高宽，由此可以计算出晶粒的大小。图2为不同厚度薄膜的FW H M(半高宽)和晶粒大小。从图2可见，随着溅射时间的延长，薄膜的晶粒大小逐渐由22nm 增大到36nm；而半高宽由0.412°减小到0.296°。这表明随着溅射时间的延长，薄膜结晶度提高了，晶粒变大了。
裤子尺码对照表女图2 不同溅射时间薄膜的半高宽与晶粒大小
F ig.2 Dependence o f the FW H M and the cr ystallite
size on the depo sitio n time fo r A ZO films 图3为电阻率随薄膜厚度的变化的曲线图。由图可见，薄膜的电阻率随着厚度的增加而降低。这是因为随着薄膜厚度的增加，晶化程度提高，薄膜的晶粒逐渐增大，晶粒间界对载流子的散射变弱，从而提高了载流子的寿命，使得导电能力增强，电阻率降
262光 电 子 技 术第29卷
低。当薄膜厚度为930nm 时，电阻率最小能达到4.65×10-4 ・cm
。
图3 不同厚度薄膜的电阻率
Fig .3 T he r esisitivity o f films w it h differ ent thick-ness
图4给出了透过率对薄膜厚度的依赖关系。由图中可见，随着溅射时间的延长，薄膜厚度的增加，吸收边有红移现象发生。图5给出了在可见光范围
汤姆索亚历险记主要内容内AZO 薄膜的平均透过率与薄膜厚度的关系，从图5中发现，随着薄膜厚度的增加，透过率先降低而后升高，主要原因是：随着溅射时间的增加，薄膜变厚，晶粒对光有更多地散射，降低了透过率；当溅射一段时间后，由于溅射离子对衬底的轰击，使得衬底温度升高了，从而提高了薄膜的结晶度，晶粒大小增加，减少了薄膜对光的散射，提高了薄膜的透过率。AZO 薄膜是直接带隙半导体，光学带隙可以通过公式(2)推导:
(h # )2
=A (h #-∃g )
(
2)
图4 不同厚度薄膜的透过率
Fig.4 T he t ransmit tance o f films w ith different
t hickness
图5 平均透过率随薄膜厚度的变化
F ig.5 T he av erag e tr ansm ittance of films v ar ies w ith
films thickness
其中A 为常数,h #是光子能量[18], 为吸收系数,h 为普朗克常数,E g 为光学带隙。通过线性拟合(h # )2与h #的关系曲线，当(h # )2=0时，就可以得到光学带隙E g 的数值。
图6给出了薄膜的禁带宽度与膜厚的关系。当薄膜厚度由320nm 变为930nm 时，薄膜的禁带宽度由3.63eV 减小到的3.51eV，这与透过率曲线红移现象一致。可以这样作出解释，随着薄膜厚度的增加，材料中缺陷和杂质浓度增加到一定程度时，缺陷态的波函数将发生重叠，分离的缺陷能级分裂成能带，且缺陷能带的宽度随着杂质浓度的增加而变大，当缺陷带足够宽时，缺陷带将与导带发生交叠，这一效应也相当于导带的下移[19-20]
，从而引起AZO 薄膜
月经安全期怎么算
的禁带宽度逐渐减小。
图6 禁带宽度随薄膜厚度的变化
F ig.6 T he band g ap of films var ies w ith films thick-ness
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第4期
张 平等：薄膜厚度对直流溅射制备A ZO 薄膜的特性影响
3 结 论
用直流溅射法在玻璃衬底上制备了不同厚度的AZO薄膜。AZO薄膜具有良好的结晶性能，在(002)方向具有明显的c轴择优取向。当薄膜厚度增加时，电阻率逐渐变小，导电能力提高；透过率先变小后增大；当薄膜厚度为930nm时，薄膜的光电特性最好，电阻率为4.65×10-4 ・cm，平均透过率为85.8%。随薄膜厚度的增加，禁带宽度逐渐变窄。
参 考 文 献
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264光 电 子 技 术第29卷
