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【摘要】ZnO薄膜具有高电导率、高可见光区透射率等特点，ZnO薄膜在透明导电材料[1]（TCO）领域如太阳能电池、半导体激光器（LD）、发光二极管（LED）等光电器件上得到了广泛应用[2]。为制备高质量的ZnO薄膜，我们选择合适的衬底材料和良好的制备技术及工艺。本文采用磁控溅射实验方法[3]，在相同溅射条件下制备出了Al-N共掺ZnO薄膜和无掺杂ZnO薄膜，然后对这两种薄膜进行了AFM、XRD、Hall测试对比分析，确定了掺杂与非掺杂ZnO薄膜优缺点，实验结果表明掺杂为Al-N共掺ZnO薄膜的各项性能指标均优于未掺杂ZnO薄膜，为进一步研究ZnO薄膜在实际应用打下一定的基础。
【关键词】AL-N共掺杂；ZnO薄膜；磁控溅射
一、Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜的制备[4]
制备Al-N共掺杂ZnO薄膜和纯ZnO薄膜溅射参数如表1-1所示。
二、Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜AFM测试对比
ZnO薄膜和Al-N共掺杂ZnO薄膜的AFM平面图像如图2-1所示，其中图（1）为Al-N共掺杂ZnO薄膜样品图像，图（2）为非掺杂ZnO薄膜样品图像。
薄膜的表面形貌和粗糙度问题，一直是人们关注的研究课题，它是制备高质量薄膜器件的基础。图2-1是在Si衬底上Al-N共掺杂ZnO薄膜和纯ZnO薄膜的AFM平面视图。从平面图中可以看出，未掺杂ZnO薄膜晶粒间存在大量的空隙，表面颗粒大小和形状的规则性比较差。而在Al-N共掺杂ZnO薄膜晶粒膜面更光滑，结晶更致密。
为了进一步讨论，我们还测试了Al-N共掺杂ZnO薄膜和纯ZnO薄膜的粗糙度，如表2-1所示。
由表2-1可知，Al-N共掺杂ZnO薄膜后，ZnO薄膜表面的均匀性及致密性得到了一定程度的改善，平整度较好，且变化较小，粗糙度更小，这与AFM测试结果相符。
三、Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜XRD测试对比
Al-N共掺杂ZnO薄膜与ZnO薄膜的XRD图谱对比如图3-1所示。
由图3-1可见，在很宽的一个扫描范围内，有无掺杂的ZnO薄膜都只有一个ZnO（002）取向的衍射峰。证明在此条件下，无论有无掺杂，ZnO都会有高度的C轴择优取向。
为了进一步研究，我们还测试了Al-N共掺杂ZnO薄膜与ZnO薄膜在（002）衍射峰的2θ衍射角和半峰宽（FWHM），如表3-1所示。
由表3-1可知，Al-N共掺ZnO薄膜的ZnO衍射峰位更接近于ZnO体材料的衍射峰位34.421°，峰强在增大，相应半峰宽减小。因为2θ接近ZnO的体峰、衍射峰强度增大，说明Al-N共掺ZnO薄膜可以使ZnO晶粒更有利于沿着（002）方向择优生长。根据Scherrer方程：D=0.9λ/Δθcosθ（式中，D为晶粒尺寸，λ为X-ray波长，Δθ为衍射峰半高宽，θ为此衍射峰所对应衍射角），半峰宽越小，结晶质量就会越高。因此，Al-N共掺ZnO薄膜（002）衍射峰半峰宽减小，可以说明在该溅射条件下，ZnO薄膜的结晶质量得到明显改善。
四、Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜hall测试对比
Al-N共掺杂ZnO薄膜与ZnO薄膜电学参数及导电类型如表4-1所示。
从表4-1可以看出，有无掺杂的ZnO薄膜均成N型导电，但是Al-N共
掺杂ZnO薄膜的体载流子浓度及迁移率都比纯ZnO薄膜的高，同样Al-N共掺杂ZnO薄膜的电阻率却比纯ZnO薄膜的低。造成这种结果的原因主要有两方面，一是由于Al-N共掺杂ZnO薄膜C轴取向性变好，结晶质量变高，晶界迁移率增大，晶粒间界减少，晶界散射减少，导致了薄膜载流子的迁移率上升。二方面是因为ZnO薄膜的缺陷主要有Zni、Vo、Zno、Oi、VZn和OZn、。对于未掺杂的ZnO薄膜，Zni、Vo等结构缺陷的浓度对ZnO的导电特性产生一定的影响。Al-N共掺杂后，ZnO薄膜的结晶质量比较高，薄膜内部的应力减小，晶界缺陷、位错等缺陷浓度低，电阻率小。
五、小结
本文通过制备Al-N共掺杂ZnO薄膜与ZnO薄膜并对结果进行对比分析，Al-N共掺杂ZnO薄膜后，ZnO薄膜表面的均匀性及致密性得到了一定程度的改善，平整度也较好，且变化较小，其粗糙度更小。Al-N共掺ZnO薄膜的（002）衍射峰，半峰宽减小，更接近于ZnO体材料的衍射峰位34.421°，可以说明在该溅射条件下，ZnO薄膜的结晶质量具有明显改善。Al-N共掺杂ZnO薄膜的体载流子浓度及迁移率都比纯ZnO薄膜的高，电阻率比纯ZnO薄膜的低。
参考文献
[1]Ki Cheol Park，Dae Young Ma，Kun Ho Kim.The physical properties of Al-doped zinc oxide films prepared by RF magnetron sputtering[J].Thin Solid Films，1997，305（1-2）：201-209.
[2]RajeshDas，Tapati Jana，Swati Ray.Degradation studies of transparent Conducting oxide：a substrate for microcrystalline silicon thin film solar cells[J].Solar Energy Materials & Solar Cells，2005，86：207-216.
[3]J.F.Chang，W.C.Lin，M.H.Hon，EffeetsofPost-annealing on the structure and ProPerties of AI-doPed zincoxide films[J].APPlied Surface Science，2001，183（1-2）：18-25.
[4]赵文海Al-N共掺杂制备ZnO薄膜及其性能研究[J].科技视界，2012，32（23-46）.
基金项目：牡丹江师范学院科研基金项目资助（项目编号：KY201109）。
作者简介：赵文海（1980—），男，黑龙江商业职业学院讲师，主要从事电子信息材料与电路系统设计的研究。
【关键词】AL-N共掺杂；ZnO薄膜；磁控溅射
一、Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜的制备[4]
制备Al-N共掺杂ZnO薄膜和纯ZnO薄膜溅射参数如表1-1所示。
二、Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜AFM测试对比
ZnO薄膜和Al-N共掺杂ZnO薄膜的AFM平面图像如图2-1所示，其中图（1）为Al-N共掺杂ZnO薄膜样品图像，图（2）为非掺杂ZnO薄膜样品图像。
薄膜的表面形貌和粗糙度问题，一直是人们关注的研究课题，它是制备高质量薄膜器件的基础。图2-1是在Si衬底上Al-N共掺杂ZnO薄膜和纯ZnO薄膜的AFM平面视图。从平面图中可以看出，未掺杂ZnO薄膜晶粒间存在大量的空隙，表面颗粒大小和形状的规则性比较差。而在Al-N共掺杂ZnO薄膜晶粒膜面更光滑，结晶更致密。
为了进一步讨论，我们还测试了Al-N共掺杂ZnO薄膜和纯ZnO薄膜的粗糙度，如表2-1所示。
由表2-1可知，Al-N共掺杂ZnO薄膜后，ZnO薄膜表面的均匀性及致密性得到了一定程度的改善，平整度较好，且变化较小，粗糙度更小，这与AFM测试结果相符。
三、Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜XRD测试对比
Al-N共掺杂ZnO薄膜与ZnO薄膜的XRD图谱对比如图3-1所示。
由图3-1可见，在很宽的一个扫描范围内，有无掺杂的ZnO薄膜都只有一个ZnO（002）取向的衍射峰。证明在此条件下，无论有无掺杂，ZnO都会有高度的C轴择优取向。
为了进一步研究，我们还测试了Al-N共掺杂ZnO薄膜与ZnO薄膜在（002）衍射峰的2θ衍射角和半峰宽（FWHM），如表3-1所示。
由表3-1可知，Al-N共掺ZnO薄膜的ZnO衍射峰位更接近于ZnO体材料的衍射峰位34.421°，峰强在增大，相应半峰宽减小。因为2θ接近ZnO的体峰、衍射峰强度增大，说明Al-N共掺ZnO薄膜可以使ZnO晶粒更有利于沿着（002）方向择优生长。根据Scherrer方程：D=0.9λ/Δθcosθ（式中，D为晶粒尺寸，λ为X-ray波长，Δθ为衍射峰半高宽，θ为此衍射峰所对应衍射角），半峰宽越小，结晶质量就会越高。因此，Al-N共掺ZnO薄膜（002）衍射峰半峰宽减小，可以说明在该溅射条件下，ZnO薄膜的结晶质量得到明显改善。
四、Al-N共掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜hall测试对比
Al-N共掺杂ZnO薄膜与ZnO薄膜电学参数及导电类型如表4-1所示。
从表4-1可以看出，有无掺杂的ZnO薄膜均成N型导电，但是Al-N共
掺杂ZnO薄膜的体载流子浓度及迁移率都比纯ZnO薄膜的高，同样Al-N共掺杂ZnO薄膜的电阻率却比纯ZnO薄膜的低。造成这种结果的原因主要有两方面，一是由于Al-N共掺杂ZnO薄膜C轴取向性变好，结晶质量变高，晶界迁移率增大，晶粒间界减少，晶界散射减少，导致了薄膜载流子的迁移率上升。二方面是因为ZnO薄膜的缺陷主要有Zni、Vo、Zno、Oi、VZn和OZn、。对于未掺杂的ZnO薄膜，Zni、Vo等结构缺陷的浓度对ZnO的导电特性产生一定的影响。Al-N共掺杂后，ZnO薄膜的结晶质量比较高，薄膜内部的应力减小，晶界缺陷、位错等缺陷浓度低，电阻率小。
五、小结
本文通过制备Al-N共掺杂ZnO薄膜与ZnO薄膜并对结果进行对比分析，Al-N共掺杂ZnO薄膜后，ZnO薄膜表面的均匀性及致密性得到了一定程度的改善，平整度也较好，且变化较小，其粗糙度更小。Al-N共掺ZnO薄膜的（002）衍射峰，半峰宽减小，更接近于ZnO体材料的衍射峰位34.421°，可以说明在该溅射条件下，ZnO薄膜的结晶质量具有明显改善。Al-N共掺杂ZnO薄膜的体载流子浓度及迁移率都比纯ZnO薄膜的高，电阻率比纯ZnO薄膜的低。
参考文献
[1]Ki Cheol Park，Dae Young Ma，Kun Ho Kim.The physical properties of Al-doped zinc oxide films prepared by RF magnetron sputtering[J].Thin Solid Films，1997，305（1-2）：201-209.
[2]RajeshDas，Tapati Jana，Swati Ray.Degradation studies of transparent Conducting oxide：a substrate for microcrystalline silicon thin film solar cells[J].Solar Energy Materials & Solar Cells，2005，86：207-216.
[3]J.F.Chang，W.C.Lin，M.H.Hon，EffeetsofPost-annealing on the structure and ProPerties of AI-doPed zincoxide films[J].APPlied Surface Science，2001，183（1-2）：18-25.
[4]赵文海Al-N共掺杂制备ZnO薄膜及其性能研究[J].科技视界，2012，32（23-46）.
基金项目：牡丹江师范学院科研基金项目资助（项目编号：KY201109）。
作者简介：赵文海（1980—），男，黑龙江商业职业学院讲师，主要从事电子信息材料与电路系统设计的研究。