濺射氣壓對Li-W共摻雜ZnO薄膜性能的影響

2015-03-25 陳義川 景德鎮陶瓷學(xué)院機械電子工程學(xué)院

　　通過(guò)RF磁控濺射在不同濺射氣壓環(huán)境中，在石英襯底上制備得到Li-W共摻雜ZnO薄膜(LWZO) 。對樣品進(jìn)行X 射線(xiàn)衍射(XRD) 、掃描電鏡(SEM) 、透過(guò)率以及電阻率的測試。結果表明：適當濺射氣壓環(huán)境下，有助于提高LWZO 薄膜的結晶質(zhì)量； SEM 結果顯示隨著(zhù)濺射氣壓增加LWZO 薄膜表面晶粒粒徑更小，表面更平整； 薄膜的透光率保持在85% 左右。光致發(fā)光光譜表明：LWZO 的光致發(fā)光由本征發(fā)光及缺陷發(fā)光組成，結晶度高以及擇優(yōu)取向好，本征發(fā)光強度強。同時(shí)，薄膜的最低電阻率也達到了6. 9 × 10-3 Ωcm。

　　氧化鋅(ZnO) 是一種直接寬禁帶氧化物半導體，晶體結構屬于六角纖鋅礦結構； 室溫下其禁帶寬度達到3.37 eV，激子結合能達60 meV，可以成為制備藍光及紫外光電子器件的理想材料。同時(shí)，ZnO還可廣泛應用于透明導電薄膜、平板顯示器、太陽(yáng)電池前電極、化學(xué)傳感劑、表面聲波器件及有機發(fā)光二極管等相關(guān)領(lǐng)域。通常情況下，未摻雜的ZnO 薄膜表現出n 型導電，這主要是由ZnO 薄膜內部的氧空位(VO) 、鋅填隙原子(Zni) 等本征缺陷引起； 通過(guò)Ga，Al，W， In 等施主摻雜還可以實(shí)現對ZnO 薄膜內部載流子濃度的控制。鎢(W) 作為高價(jià)元素，進(jìn)入ZnO 薄膜內部可以形成更多的氧空位(Vo) ，增加載流子濃度； 同時(shí)，鋰(Li) 可作為受主摻雜進(jìn)入ZnO薄膜，可有效增加ZnO 薄膜電學(xué)性能的穩定性。本文主要在不同濺射氣壓制備得到Li-W 共摻雜薄膜(LWZO) ，分析了濺射氣壓對LWZO 薄膜的結晶性能、表面形貌、光學(xué)性能的影響以及電學(xué)性能的影響。

　　1、實(shí)驗

　　本實(shí)驗以石英玻璃為襯底采用射頻磁控濺射法，在襯底溫度為100℃，不同濺射氣壓條件下沉積LWZO。所用的材料：靶材( Li-W 共摻ZnO 陶瓷靶：99. 99%，摩爾比：ZnO∶ Li2O∶ WO3 = 97. 5∶ 1. 5∶1) ，濺射氣體Ar∶ 99. 99%。靶基距： 70 mm；背景壓強：5 × 10 - 4 Pa； 工作氣壓為1 Pa，氣體總流量為30.0 mL /min( 標準狀態(tài)) (Ar) ，濺射功率為250 W，濺射沉積時(shí)間：60 min；在沉積LWZO 薄膜前預濺射15 min，保證靶面清潔。分別得到1# 樣品LWZO 薄膜(0.6 Pa) ，2# 樣品LWZO 薄膜(0.8 Pa) ，3# 樣品LWZO 薄膜(1.0 Pa) ，4# 樣品LWZO 薄膜(1.2 Pa)以及5#樣品LWZO 薄膜( 1.4 Pa) 。

　　LWZO 薄膜的晶體結構分析，采用的是德國B(niǎo)ruker 公司的D8Advance 型X 射線(xiàn)衍射儀( XRD) 。測試條件：Cu 靶Kα 輻射，管電壓40 kV，電流40mA，λ = 0.15418 nm，掃描步頻0.02°，掃描范圍10°～60°。采用FEI QuanTA-200F 型環(huán)境電子顯微鏡( ESEM) 觀(guān)察LWZO 薄膜的表面形貌和結構。采用Backman-Du 8B 型紫外-可見(jiàn)分光光度計測量LWZO薄膜的光學(xué)透過(guò)率。所有LWZO 薄膜的電阻率采用四探針電阻率測試儀測定。樣品的光致發(fā)光(PL) 光譜用Hitachi F-7000 型熒光分光光度計測定，激發(fā)源為150 W 的Xe 燈，激發(fā)波長(cháng)325 nm。所有測試均在室溫下完成。

　　3、結論

　　采用RF 磁控濺射法在石英襯底上制備得到LWZO 薄膜，并且著(zhù)重研究了薄膜的結晶性、表面形貌、光學(xué)透過(guò)率以及薄膜的電阻率。通過(guò)XRD 可知，隨著(zhù)濺射氣壓的增加，得到的LWZO 薄膜結晶度先增加后減小，同時(shí)(002) 和(100) 峰的2θ 值向小角度移動(dòng)。SEM 結果顯示隨著(zhù)濺射氣壓增加LWZO 薄膜表面晶粒粒徑更小，表面更平整。在400 ～1200 nm 波長(cháng)范圍內，LWZO 平均透過(guò)率達到85%以上。室溫PL 分析發(fā)現，LWZO 薄膜樣品的發(fā)光由本征發(fā)光及缺陷發(fā)光組成。濺射氣壓在1.0 Pa左右，LWZO 薄膜的本征發(fā)光強度明顯增強，說(shuō)明適當的濺射氣壓有利于提高薄膜的結晶質(zhì)量以及薄膜的擇優(yōu)向生長(cháng)。隨著(zhù)LWZO 薄膜結晶性的增加，薄膜的電阻率也顯著(zhù)下降。