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宽禁带ZnO半导体为直接带隙材料。其具有六方纤锌矿结构,较高的激子束缚能(60meV),室温下带隙宽度为3.37eV。高质量的外延ZnO薄膜的制备已成为宽禁带半导体集成器件的关键技术。ZnO薄膜具有良好的光电性能、强的紫外吸收能力和高的可见光透过率,在作为紫外线和红外线吸收材料的应用方面有潜在的应用前景。近年来,由于具有与ITO相比拟的对可见光的高透过率和高电导率,及其在氢等离子体的高稳定性等优点,作为ITO(Sn-doped In2O3)电极的很有发展前景的替代材料,ZnO薄膜正引起人们日益广泛的关注和研究。
制备ZnO薄膜的方法有很多,如磁控溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积、分子束外延、溶胶-凝胶法等。其中,多数方法需要真空设备,成本相对较高;而溶胶-凝胶法工艺简单和成本低,能在各种基片上制备均匀掺杂的薄膜。
本论文使用溶胶-凝胶法在普通载玻片上制备ZnO薄膜和ZAO薄膜。所用的溶胶是以乙二醇甲醚为溶剂,醋酸锌为氧化锌前驱体,乙醇胺为稳定剂,氯化铝为掺杂剂制得。实验研究和分析了溶胶浓度、甩膜层数、预处理温度、热处理温度对ZnO薄膜的晶体结构、c轴取向、内部应力、形貌、光学性能的影响。在溶胶浓度为0.5mol/L、甩膜速率为3000r/min、甩膜5层、250℃预处理10min和550℃热处理1h条件下制得的ZnO薄膜具有高c轴择优取向性。所制得薄膜致密连续,晶粒尺寸在30nm左右,颗粒大小均匀,薄膜可见光透过率高达92%,370nm以下的紫外光几乎全被吸收。这类薄膜有望在防紫外线的领域获得推广和应用。
未掺杂ZnO薄膜导电性较差,掺杂Al能明显改善薄膜的导电性。实验中研究了Al掺杂浓度、甩膜层数、预处理温度、热处理温度、热处理气氛对ZAO薄膜的电学性能和光学性能的影响。研究表明:高可见光透过率和低电阻率的2%(摩尔,下同) Al掺杂的ZAO薄膜的制备工艺条件主要为:溶胶浓度为0.5mol/L、甩膜15层、400℃预处理10min、500℃还原气氛中热处理处理1h。所制备的ZAO薄膜方块电阻为800Ω/□(电阻率最低至4.85×10-2Ω.cm),可见光的透过率达80%以上。该材料有望在透明电极应用领域替代ITO获得推广和应用。论文还探讨了ZAO薄膜的导电机理,包括载流子及其散射机制的种类、迁移率、晶界和缺陷的影响等,为制备出低电阻率、高透光率,高品质的ZAO薄膜提供理论和实验依据。