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透明导电氧化物(transparent conductive oxide,TCO)薄膜是一种重要的宽禁带半导体材料,人们对它的研究可以追溯到19世纪末。由于TCO薄膜具有良好的光学和电学性能,因而被广泛应用于传感器、平板显示和太阳能电池等领域。氧化锌(ZnO)基薄膜的原材料储量丰富、性价比高且没有毒性,近年来在TCO家族中占据了重要地位。目前,人们对它的研究主要集中在掺镓ZnO(GZO)、掺铝ZnO(AZO)等单元素掺杂方面,而对于二元掺杂尤其是掺钛GZO(GZO:Ti)薄膜的研究报道很少。因此,本论文选用GZO:Ti透明导电薄膜作为研究对象。本文采用射频磁控溅射技术,以规格为37.5 mm×2.5 mm×1.1 mm的普通玻璃作为衬底,在不同的沉积温度、氩气压强、溅射功率、靶基距离等工艺参数下制备了GZO:Ti薄膜样品。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见分光光度计、四探针仪对样品进行测试表征,研究了制备工艺参数对GZO:Ti薄膜微观结构和光电性能的影响,获得了最佳工艺条件。其主要工作及结论如下:(1)薄膜光电综合性能的量化表征。基于测量的透射率光谱,计算了薄膜可见光区域的平均透过率(Tav),并利用外推法提取了薄膜的直接光学带隙(Eg)。引入品质因数(φ)表征了薄膜的光电综合性能,通过定量评价获得了GZO:Ti薄膜的最佳制备工艺参数,其φ值最高为4068.9Ω-1·cm-1。(2)工艺参数对薄膜微观结构均有明显影响。微观测试分析显示,所有GZO:Ti薄膜均存在有(100)、(002)和(004)方向的衍射峰,其中(002)方向衍射峰强度明显高于其他晶面,并且(002)方向的择优取向度均大于97.1%,具有明显的(002)择优取向生长特性。另外,沉积温度、氩气压强、溅射功率和靶基距离对薄膜的晶粒尺寸(D)和压应力(σ)具有显著影响,其D值变化范围为38.2~85.7 nm、σ值变化范围为0.226~0.443 GPa。(3)工艺参数对薄膜光学性质具有不同影响。光学研究结果表明,GZO:Ti薄膜的Tav和Eg明显受到沉积温度、溅射功率和靶基距离的影响,但它们几乎不随氩气压强的变化而改变。所有薄膜样品的Tav均高于80%,透光性能良好;Eg都在3.342 eV以上,大于未掺杂ZnO薄膜的直接光学带隙。(4)工艺参数对薄膜电学性质具有明显影响。四探针仪测试表明,GZO:Ti薄膜的电阻率为10-3Ω·cm数量级、品质因数φ为1649.7~4068.9Ω-1·cm-1。可见,掺杂有效改善了ZnO薄膜的导电性能,制备工艺参数对GZO:Ti薄膜光电综合性能的影响非常明显。(5)GZO:Ti薄膜光学常数及其折射率色散性质的研究。利用光谱拟合法提取了GZO:Ti薄膜的折射率(n)和消光系数(k),结果表明n和k随波长增加而单调减小,表现为正常色散关系,同时其折射率色散行为遵循Wemple-DiDomenico单振子色散模型。(6)制备GZO:Ti薄膜的最佳工艺条件。基于薄膜结构和光电性能的研究表明:采用1%TiO2+2%Ga2O3掺杂ZnO陶瓷靶,利用射频磁控溅射法在玻璃衬底上生长GZO:Ti薄膜时,其优化制备工艺参数分别为靶基距离75 mm、沉积温度610 K、氩气流量25 sccm、氩气压强0.5 Pa、射频功率180 W、溅射时间30 min。