摻雜與非摻雜ZnO薄膜的對比分析

【摘要】ZnO薄膜具有高電導率、高可見光區透射率等特點，ZnO薄膜在透明導電材料[1]（TCO）領域如太陽能電池、半導體激光器（LD）、發光二極管（LED）等光電器件上得到了廣泛應用[2]。為制備高質量的ZnO薄膜，我們選擇合適的襯底材料和良好的制備技術及工藝。本文采用磁控濺射實驗方法[3]，在相同濺射條件下制備出了Al-N共摻ZnO薄膜和無摻雜ZnO薄膜，然后對這兩種薄膜進行了AFM、XRD、Hall測試對比分析，確定了摻雜與非摻雜ZnO薄膜優缺點，實驗結果表明摻雜為Al-N共摻ZnO薄膜的各項性能指標均優于未摻雜ZnO薄膜，為進一步研究ZnO薄膜在實際應用打下一定的基礎。

【關鍵詞】AL-N共摻雜；ZnO薄膜；磁控濺射

一、Al-N共摻雜ZnO薄膜與純ZnO薄膜的制備[4]

制備Al-N共摻雜ZnO薄膜和純ZnO薄膜濺射參數如表1-1所示。

二、Al-N共摻雜ZnO薄膜與純ZnO薄膜AFM測試對比

ZnO薄膜和Al-N共摻雜ZnO薄膜的AFM平面圖像如圖2-1所示，其中圖（1）為Al-N共摻雜ZnO薄膜樣品圖像，圖（2）為非摻雜ZnO薄膜樣品圖像。

薄膜的表面形貌和粗糙度問題，一直是人們關注的研究課題，它是制備高質量薄膜器件的基礎。圖2-1是在Si襯底上Al-N共摻雜ZnO薄膜和純ZnO薄膜的AFM平面視圖。從平面圖中可以看出，未摻雜ZnO薄膜晶粒間存在大量的空隙，表面顆粒大小和形狀的規則性比較差。而在Al-N共摻雜ZnO薄膜晶粒膜面更光滑，結晶更致密。

為了進一步討論，我們還測試了Al-N共摻雜ZnO薄膜和純ZnO薄膜的粗糙度，如表2-1所示。

由表2-1可知，Al-N共摻雜ZnO薄膜后，ZnO薄膜表面的均勻性及致密性得到了一定程度的改善，平整度較好，且變化較小，粗糙度更小，這與AFM測試結果相符。

三、Al-N共摻雜ZnO薄膜與純ZnO薄膜XRD測試對比

Al-N共摻雜ZnO薄膜與ZnO薄膜的XRD圖譜對比如圖3-1所示。

由圖3-1可見，在很寬的一個掃描范圍內，有無摻雜的ZnO薄膜都只有一個ZnO（002）取向的衍射峰。證明在此條件下，無論有無摻雜，ZnO都會有高度的C軸擇優取向。

為了進一步研究，我們還測試了Al-N共摻雜ZnO薄膜與ZnO薄膜在（002）衍射峰的2θ衍射角和半峰寬（FWHM），如表3-1所示。

由表3-1可知，Al-N共摻ZnO薄膜的ZnO衍射峰位更接近于ZnO體材料的衍射峰位34.421°，峰強在增大，相應半峰寬減小。因為2θ接近ZnO的體峰、衍射峰強度增大，說明Al-N共摻ZnO薄膜可以使ZnO晶粒更有利于沿著（002）方向擇優生長。根據Scherrer方程：D=0.9λ/Δθcosθ（式中，D為晶粒尺寸，λ為X-ray波長，Δθ為衍射峰半高寬，θ為此衍射峰所對應衍射角），半峰寬越小，結晶質量就會越高。因此，Al-N共摻ZnO薄膜（002）衍射峰半峰寬減小，可以說明在該濺射條件下，ZnO薄膜的結晶質量得到明顯改善。

四、Al-N共摻雜ZnO薄膜與純ZnO薄膜hall測試對比

Al-N共摻雜ZnO薄膜與ZnO薄膜電學參數及導電類型如表4-1所示。

從表4-1可以看出，有無摻雜的ZnO薄膜均成N型導電，但是Al-N共

摻雜ZnO薄膜的體載流子濃度及遷移率都比純ZnO薄膜的高，同樣Al-N共摻雜ZnO薄膜的電阻率卻比純ZnO薄膜的低。造成這種結果的原因主要有兩方面，一是由于Al-N共摻雜ZnO薄膜C軸取向性變好，結晶質量變高，晶界遷移率增大，晶粒間界減少，晶界散射減少，導致了薄膜載流子的遷移率上升。二方面是因為ZnO薄膜的缺陷主要有Zni、Vo、Zno、Oi、VZn和OZn、。對于未摻雜的ZnO薄膜，Zni、Vo等結構缺陷的濃度對ZnO的導電特性產生一定的影響。Al-N共摻雜后，ZnO薄膜的結晶質量比較高，薄膜內部的應力減小，晶界缺陷、位錯等缺陷濃度低，電阻率小。

五、小結

本文通過制備Al-N共摻雜ZnO薄膜與ZnO薄膜并對結果進行對比分析，Al-N共摻雜ZnO薄膜后，ZnO薄膜表面的均勻性及致密性得到了一定程度的改善，平整度也較好，且變化較小，其粗糙度更小。Al-N共摻ZnO薄膜的（002）衍射峰，半峰寬減小，更接近于ZnO體材料的衍射峰位34.421°，可以說明在該濺射條件下，ZnO薄膜的結晶質量具有明顯改善。Al-N共摻雜ZnO薄膜的體載流子濃度及遷移率都比純ZnO薄膜的高，電阻率比純ZnO薄膜的低。

參考文獻

[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]趙文海Al-N共摻雜制備ZnO薄膜及其性能研究[J].科技視界，2012，32（23-46）.

基金項目：牡丹江師范學院科研基金項目資助（項目編號：KY201109）。

作者簡介：趙文海（1980—），男，黑龍江商業職業學院講師，主要從事電子信息材料與電路系統設計的研究。