磁控共濺射制備AGZO薄膜及性能分析

摘 要：采用兩靶共濺射的方法，分別采用GZO靶材及Al靶材，在不同的Al靶材濺射時間下制備AGZO薄膜。測試分析了不同Al靶濺射時間下，AGZO薄膜晶體結構、成分及相關性能的變化。其中當鋁靶濺射時間為5分鐘時制得的薄膜具有最優性能。

關鍵詞：共濺射；AGZO薄膜；結構；電阻率

ZnO是一種n型半導體材料，其本征電阻率非常高，所以一般對 ZnO進行n型摻雜以減少其電阻率，比較常用的為Al、Ga、In等元素。但是目前的摻雜常常局限于一種元素，且單一元素摻雜常常伴隨著一些弊端，例如Al摻雜容易形成穩定的Al2O3相，影響薄膜性能，而Ga、In元素儲量較少，成本很高等。所以文章同時將Al、Ga元素摻雜進入ZnO體系中，并改變Al靶的濺射時間，測試分析相關性能。

1 實驗

文章采用兩靶磁控共濺射的方法制備AGZO薄膜。其中，GZO靶材純度為99.99%，Ga2O3：ZnO=3：97wt.%；Al靶純度為99.99%，基片為石英玻璃，靶基距為100mm。實驗參數設置如下：背底真空7×10-4Pa，濺射時壓強為0.5Pa，通入氬氣，在正式濺射之前先進行10分鐘的預濺射，GZO靶材濺射功率為150W，GZO靶材濺射時間為20分鐘，Al靶材濺射功率為50W，Al靶濺射時間分別為1、3、5、7、9分鐘，分別為1-5號樣品。

2 結果與討論

XRD分析結果顯示，1-5號AGZO薄膜均有比較良好的（002）方向即c軸擇優取向。同時，根據XRD分析軟件JADE可以求出對應（002）峰的半高寬，再根據謝樂公式即可估算出薄膜的平均晶粒尺寸。

結果顯示，隨著Al靶濺射時間從1分鐘逐步增加為5分鐘時，AGZO薄膜的平均晶粒尺寸有小幅增加，隨后開始減少，當Al靶濺射9分鐘時，平均晶粒尺寸劇烈減少到了20.18nm。

對于光學透過率的測試顯示，1-5號薄膜在可見光波段的平均透過率均在87.5%以上，其中3號薄膜的平均透過率最好，在整個可見光波段（400-760nm），其平均透過率達到了91.41%。

隨后對1-5號樣品的電阻率等參數進行了測試。測試結果顯示，在Al靶濺射時間為5分鐘和7分鐘時，電阻率較低，接近1×10-2Ωcm。

薄膜殘余應力的計算公式，可以從雙軸應力模型中推導出[1]，公式為[2，3]

其中Cii為彈性勁度常量，其中C13=1.05×1011Nm-2，C11=C33=2.1×1011Nm-2，C12=1.2×1011Nm-2。[4]

其中c和c0分別是樣品和無應變塊體ZnO的晶格常數，c0為0.52069nm，c=2d。

即可利用JADE軟件求出晶面間距d值，進而求出c值，再帶入式（1），最后求得薄膜的殘余應力。

1-5號樣品，求出的應力均為壓應力，最小值出現在1分鐘時，最大值出現在9分鐘時，高達5.70GPa。

將1-5號樣品的薄膜的平均晶粒尺寸、殘余應力、電阻率聯合分析時，我們可以看到，薄膜成膜質量的急劇下降，大大減少了薄膜的平均晶粒尺寸，而成膜質量的下降，也會大大增加薄膜的殘余應力。隨著殘余應力的增加，表明薄膜中晶體失配等現象越嚴重，則對電子造成的散射就越明顯，所以電阻率一般會隨著殘余應力的增大而增大。隨著5號樣品平均晶粒尺寸的大幅減少，帶來了殘余應力的顯著增加，也導致了5號樣品的電阻率明顯的提高，這和理論是相符的。

3 結束語

利用雙靶磁控共濺射制備AGZO薄膜，當GZO靶材濺射功率為150W，GZO靶材濺射時間為20分鐘，Al靶材濺射功率為50W，Al靶濺射時間為5分鐘時，其具有最佳性能。其平均晶粒尺寸達到27.47nm，電阻率為11.57×10-3Ωcm，平均透過率為91.41%，殘余應力為2.82GPa。

參考文獻

[1]H. H. Lai， T. Basheer， V. L. Kuznetsov，et al.[J].JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 112， 083708 （2012）：1-5.

[2]B. C. Mohanty， Y. H. Jo， D. H. Yeon， I. J. Choi， and Y. S. Cho， Appl.Phys. Lett. 95， 62103 （2009）.

[3]C. Koidis， S. Logothetidis， S. Kassavetis， A. Laskarakis， N. A. Hastas， andO. Valassiades， Phys. Status Solidi A 207， 1581-1585 （2010）.

[4]B. K. Sharma and N. Khare， J. Phys. D： Appl. Phys. 43， 465402 （2010）.

作者簡介：劉結（1991-），男，四川省成都市人，工作單位：電子科技大學，職務：學生，研究方向：半導體薄膜材料。