磁控溅射法制备金属掺杂In2O3薄膜及其特性研究

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氧化铟属于宽禁带半导体材料,化学稳定性强.近年来,随着对Sn掺杂In2O3薄膜(即ITO)的研究,因其具有低电阻率和高透光率特性,被广泛应用于平板显示、太阳能电池和光电器件等领域.但是制备高品质In2O3薄膜的实验条件还有待挖掘,高温退火对薄膜的影响不是很清晰,以及其他金属掺杂的相关研究很少.因此,本论文基于以上三个方面进行了研究.  利用射频磁控溅射法在Si(100)衬底上和载玻片衬底上分别沉积In2O3薄膜.通过改变实验参数,得到制备薄膜的最佳沉积条件.X射线衍射(XRD)图谱分析得出所有薄膜显示(222)衍射峰,属于体心立方晶格结构.扫描电子显微镜(SEM)图像表明Si衬底上沉积的薄膜表面光滑致密,结晶性良好,平均晶粒尺寸约为25nm左右,与Scherrer公式计算得出的结果相近(28.3 nm).EDX图谱表明薄膜只含有In,O和Si元素,没有其它杂质元素.载玻片衬底上于最佳制备条件下沉积的薄膜表面晶粒呈三角锥形,大小为30 nm左右.用四探针法测量样品的电阻率,Si衬底上的样品最低为2.673×10-3Ω·cm,小于载玻片上的7.940×10-3Ω·cm.用分光光度计研究样品的光学性能,在可见光范围内,Si衬底上沉积的薄膜,对应于651 nm处的红光,反射率最低,为8.0%;而相对520 nm处的绿光,反射率最大,为17.9%;在载玻片上制备的样品,对应于579 nm处有最高的透射率,达到48.1%,平均透光率为44%.  Si(100)衬底上,对最佳制备条件下沉积的In2O3薄膜进行800℃退火1h处理.XRD分析表明薄膜的(222)衍射峰宽度变窄,强度增加.SEM图像显示颗粒变大,晶粒尺寸达到70 nm左右,但是缺陷增多.退火后薄膜的电阻率减小,为8.566×10-4Ω·cm,并且反射率下降,最低达到6.6%.  利用射频和直流共溅射的方法,只改变直流靶溅射功率,在Si(100)和载玻片衬底上制备Zn掺杂In2O3(Zn-In2O3)薄膜,并将其在800℃下退火1 h.XRD测试表明Zn-In2O3薄膜显示为多晶并且显示(222)择优取向,随溅射功率增加,峰强先增大后减弱.退火后薄膜(222)衍射峰明显高于未退火的,载玻片衬底上沉积的样品峰强最低.样品电阻率随溅射功率的增加而减小,退火后样品的电阻率最小能达到8.675×10-4Ω·cm.当溅射功率为60 W时,Si衬底上的Zn-In2O3薄膜对664.5nm处的红光反射率最高,达到9.9%.退火后,样品的反射率增强,在366.7 nm紫光处为9.8%.载玻片衬底上沉积的Zn-In2O3薄膜在可见光范围内的平均透光率达到78.0%.  采用射频和直流共溅射的方法,只改变直流靶溅射时间,在Si(100)和载玻片衬底上制备Al掺杂In2O3(Al-In2O3)薄膜,并将薄膜在800℃下退火1h处理.XRD图谱表明薄膜显示(222)择优取向,衍射峰向大衍射角方向偏移,退火后薄膜的(222)衍射峰最强.载玻片上沉积的薄膜的电阻率为7.649×10-2Ω·cm.退火前后,薄膜的电阻率都随溅射时间先增大后减小.Al-In2O3薄膜反射率得到增强,最大处为20.1%,对应于712.2 nm处的红光.退火后样品的反射率进一步增加.当溅射功率为50 W,溅射时间为10min时,在载玻片衬底上沉积的Al-In2O3薄膜最大透射率为61.5%,可见光范围内的平均透射率为51.0%.
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