(Ga,Al)掺杂ZnO薄膜的原子层沉积制备及其性能研究

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透明导电薄膜是集良好电导率和可见光透过率于一体的多功能材料。随着研究的深入,氧化锌基透明导电薄膜在光电器件领域展现出良好的应用前景。本论文采用原子层沉积(ALD)技术制备了Ga掺杂和(Ga,Al)共掺杂ZnO薄膜,探究了掺杂浓度以及快速热退火处理条件对ZnO基薄膜的晶体结构、电学和光学性能的影响。研究了不同Ga掺杂浓度对GZO薄膜性能的影响。研究发现:GZO薄膜的取向生长与Ga掺杂浓度有关。随着Ga掺杂浓度的增加,GZO薄膜从(100)择优取向转变为(002)择优取向生长。GZO薄膜的电学性能受GaZn、VO和GaOX氧化物等缺陷的影响,GaZn的影响尤为显著;且GZO薄膜的可见光平均透过率大于88%。当ZnO/Ga2O3循环比为24:1(实验Ga浓度为1.16 at.%)时,GZO薄膜具有最高的载流子浓度和最低的电阻率,分别为1.07×1021 cm-3和6.91×10-4Ω·cm,其品质因子为3.5×10-3Ω-1。以不同ALD循环模式调控(Al,Ga)掺杂浓度,研究了共掺杂浓度对GAZO薄膜性能的影响。研究发现,Al和Ga的共掺会严重影响GAZO薄膜中Al的固溶,所有共掺样品中均存在Al2O3结晶相。当Al的浓度保持1 at.%不变,逐渐增加Ga浓度从1 at.%至4.2 at.%时,GAZO薄膜的从(100)择优取向生长转变为(002)择优取向;载流子浓度和光学带隙随着Ga掺杂浓度的增加而增加。当保持(Al,Ga)总掺杂浓度为2 at.%,Ga的含量从20%增加到80%时,GAZO薄膜的生长无明显择优取向、带隙无明显变化;Al2O3的析出影响了GAZO薄膜电学性能,随Ga/Al掺杂比的增加,GAZO薄膜的载流子浓度先增后减,在Ga/Al=3:2时具有最高载流子浓度及最优的综合性能。通过快速热退火(RTA)处理,研究了退火时间、退火气压、退火气氛和退火温度对GZO薄膜的性能影响。研究表明,快速热退火处理并不能提高GZO薄膜的透明导电性能,但特定退火条件会对GZO薄膜中载流子类型和浓度有显著影响。在200℃、0.007MPa Ar氛围退火处理60 s后GZO薄膜的电子浓度提高约一个数量级,至3.21×1021cm-3。并且,当退火时间和退火气压分别为60 s和0.007 MPa时,Ar气氛(200℃~400℃),N2气氛(200℃和400℃)和O2气氛(400℃)条件下均出现n/p型导电现象。根据光致发光光谱分析,VO缺陷含量的减少和VZn受体缺陷含量的增加可能是GZO薄膜出现n/p型导电转变的原因。
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