掺铝氧化锌(AZO)薄膜的制备及光电性能研究

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掺铝氧化锌(AZO)薄膜是一种重要的宽禁带半导体材料,具有可见光透过率高、紫外光吸收的特点,在表面声波器件、紫外光探测器、压敏器件和紫外激光器件等领域具有广阔的应用前景。本论文利用溶胶-凝胶法(Sol-gel)和脉冲激光沉积(PLD)技术制备Zn1-xAlxO (AZO,x=0,0.01,0.02,0.03)薄膜。溶胶-凝胶法以乙二醇甲醚为溶剂,二水醋酸锌为前驱体,乙醇胺为稳定剂,混合反应制备所需溶胶,然后采用旋涂法将溶胶涂于普通玻璃衬底上,经适当温度热处理后可得所需AZO薄膜。脉冲激光沉积技术通过研究衬底温度、生长氧压、沉积时间以及Al掺杂量对PLD法制备AZO薄膜结构性能的影响,成功地在Si(111)衬底上制备出了性能优良的AZO薄膜。采用SEM、XRD、四探针法测电阻、紫外-可见光分析(UV-vis)、原子力显微镜(AFM、PL谱、R(温度)-T(时间)曲线关系等测试方法,研究了不同制备工艺条件对Sol-gel法和PLD技术制备AZO薄膜结构和性能的影响,主要研究工作及结果如下:1.采用XRD对Sol-gel法制备的AZO薄膜进行表征,其结果表明:所制备的AZO薄膜沿(002)方向具有高度择优取向。当其镀膜层数为15层时,AZO薄膜的电阻率较小,透射率较高;退火温度为500℃时所制备的AZO薄膜在可见光波段透射率最高,其次为400℃和600℃;当Al的掺杂量为1.0at.%时,制备的AZO薄膜表现出优异的性能,其表面电阻率较小,薄膜较为致密,可见光透射率较高,且透射光的截止波长和吸收边均出现一定蓝移。采用Sol-gel法制备AZO薄膜的最优工艺条件如下:镀膜层数为15层,退火温度为500℃,A1摩尔掺杂量为1.0at.%。2.采用Sol-gel法制备工艺在玻璃衬底上成功制备出了可见光透过率较高、电阻率较低的AZO透明导电薄膜。薄膜的可见光透过率高达87%,电阻率为4.2×10-2Φ.cm。3.采用XRD对PLD法所制备的AZO薄膜进行表征,其结果表明:样品具有C轴择优取向,且晶体结构完整。其最佳工艺为:衬底温度为600℃,生长氧压为0.5Pa,沉积时间为10min,Al掺杂量为1.Oat.%。采用AFM研究衬底温度、Al掺杂量对PLD法制备AZO薄膜表面形貌的影响。结果表明:当衬底温度为600℃时制备的AZO薄膜质量最佳,不仅薄膜较为致密,晶粒也较为均匀;与未掺杂样品进行比较可知,Al掺杂制备的样品晶粒更为均匀、表面粗糙度较低;在本实验Al掺杂量范围内,掺杂量的多少对AZO薄膜形貌影响不大。4.PL光谱分析表明:衬底温度、生长氧压、Al掺杂量及沉积时间对AZO薄膜的紫外发光都有较大的影响。最优工艺制备AZO薄膜的R-T关系分析表明,当温度降低到一定程度时电阻急剧上升,应该与氧空位所引起的杂质激发导电有关。
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