靶基距對ZnMgO∶Ti透明導電薄膜性能的影響

孫 艷,倪慶寶,張化福,劉云燕,劉漢法

(山東理工大學 物理與光電工程學院，山東 淄博 255049)

透明導電薄膜(TCO)因其獨特的光學、電學特性廣泛應用于光電顯示、太陽能電池等領域。與ITO 薄膜相比，ZnO及摻雜薄膜價格低廉、對環境無毒無害、制備工藝簡單，許多元素可被摻雜到ZnO中以調節其特性，因而引起了廣泛關注[1-3]。磁控濺射法是一種制備透明導電薄膜常用的方法[4-6]。采用磁控濺射法制備ZnMgO薄膜，在ZnO中摻入Mg取代Zn的位置，形成的Znl-xMgxO薄膜在保持纖鋅礦結構不變的前提下，能夠在3.37～4.05 eV調節帶隙[7]。但是未摻雜的ZnMgO薄膜的導電性不好。摻雜元素對透明導電薄膜的性能有較大影響。龔麗等[6]利用磁控濺射法用Ga摻雜ZnO發現在不同生長溫度下所制備的GZO薄膜最低電阻率為1.91×10-3Ω·,在可見光波段平均透射率均大于90%，光學性質優異。Zhu等[8]用Al摻雜ZnO薄膜發現緩沖厚度增大時電阻率下降。顧錦華等[9]采用磁控濺射法用Ti摻雜ZnO，Ti摻雜能有效降低電阻率，品質因數最大為748.15 s/cm。本文采用磁控濺射法在玻璃襯底上制備摻Ti的ZnMgO薄膜，研究靶基距對其結構及光電性能的影響。

1 實驗

1.1 樣品制備

采用磁控濺射法，在玻璃襯底上通過改變靶基距制備了一系列ZnMgO∶Ti透明導電薄膜。靶材由ZnO(原子百分比為95%,純度為99.99%)粉末, MgO(原子百分比為5%,純度為99.99%)粉末和TiO2(相對于Zn0.95Mg0.05O質量百分比為2.1%,純度為99.99%)粉末高溫燒結而成。 靶材直徑為75 mm,厚度為3 mm。基體為玻璃片，在丙酮中超聲清洗10 min，再在無水乙醇和去離子水中浸泡0.5 h,取出并在恒溫干燥箱中晾干。制備過程中濺射室內真空抽至4.6×10-3Pa，濺射壓強保持9 Pa，功率保持85 W，濺射時間為30 min，靶基距分別取45 mm、50 mm、65 mm、70 mm。

1.2 樣品測試

用D8 型X射線儀(CuKa1靶，波長0.154 1 nm)測定薄膜的晶體結構，用掃描電鏡觀察樣品的形貌。用雙光束紫外可見分光光度計測量樣品的光學透過率，用四探針法在室溫下測量薄膜的方塊電阻R,用SGC-10型薄膜測厚儀(測量精度<1nm)測量薄膜的厚度, 薄膜的電阻率由公式ρ=R×L[10]計算得到。

2 結果與討論

2.1 樣品形貌、晶體結構分析

圖1給出了不同靶基距下薄膜SEM圖。從圖1可看出，不同靶基距下ZnMgO:Ti薄膜顆粒均勻清晰，有較好的致密性。在50 mm下濺射薄膜的晶粒尺寸大于在65 mm下薄膜的晶粒尺寸。薄膜的表面結構由沉積粒子的能量決定。濺射靶面和基底的距離即靶基距較大時，濺射粒子到達基板，由于能量損耗，粒子能量很小，晶體結合能力下降，顆粒變得細小；圖2給出了不同靶基距下ZnMgO:Ti薄膜的XRD衍射圖。在不同的靶基距下薄膜樣品僅有一個較強衍射峰，衍射峰角2θ大約為34.7°左右，這表明薄膜有較好的c軸取向。靶基距為50 mm時薄膜的衍射峰高于靶基距為65、70 mm的薄膜衍射峰，表明靶基距為50 mm時的薄膜的結晶化程度更好。表1給出了不同靶基距下的薄膜厚度。

(a)50mm (b)65mm 圖1 不同靶基距下薄膜的SEM圖 Fig.1 SEM pictures of films deposited at different target-substrate distances

圖2 不同靶基距下薄膜的XRD衍射圖Fig.2 XRD spectra of films deposited at different target-substrate distances

表1 不同靶基距下薄膜的厚度

Table 1 Film thickness at different target-substrate distances

靶基距/mm45506570薄膜厚度/nm 595.4460.1222.7180.3

2.2 靶基距對薄膜電學特性的影響

由圖3我們可以看出，在45～70 mm范圍內，隨著靶基距的增加，薄膜的電阻率先減小后增加，50 mm處電阻率最小，導電性相對較好。我們認為導電性與薄膜的結晶程度和薄膜厚度、晶粒尺寸等微觀結構密切相關。如果薄膜的結晶化程度較好，那么形成的缺陷就會很少，載流子的散射就會減弱，因而薄膜的導電性較好，電阻率相對變小。圖2表明在靶基距為50 mm時薄膜的結晶程度較好。較大的晶粒尺寸減少了晶界，有效的減弱了載流子的散射率，而薄膜厚度的增加有利于增加載流子的遷移率。在這幾個因素的共同作用下，在靶基距50 mm下濺射的薄膜獲得了最佳的導電性能。

圖3 電阻率隨靶基距的變化曲線Fig.3 Variations of electrical resistivity at different target-substrate distances

2.3 靶基距對薄膜光學特性的影響

圖4給出了不同靶基距下透射率與波長的關系圖。從圖4可以看出，隨著靶基距的增加，ZnMgO∶Ti薄膜透射率的干涉峰峰數逐漸減少，透射率越來越穩定。這是因為，靶基距不同而致使薄膜的厚度不同(表1)，如果薄膜越厚粒子數越多，干涉峰數就會越多。在400～900 nm范圍內，不同靶基距條件下制備的ZnMgO∶Ti薄膜平均透射率都達到92%以上，說明我們制備的薄膜具有很好的光學性能。此外，我們還可以看出，相對于靶基距為45 mm情況下制備的薄膜，在50～70 mm制備的薄膜光學吸收邊界出現藍移(吸收邊界向波長減小的方向移動)。

圖4 薄膜的透光率Fig.4 Optical transmittance as a function of wavelength

對于薄膜的光學帶隙，因為αhv2=A(hv-Eg)，則通過將α2-hv曲線的線性部分外推至α=0，該位置所對應的hv的值即為光學帶隙，α為吸收系數，由公式α=(1/d)ln(1/T)求得，其中d是薄膜的厚度，T是薄膜的透射率。從圖5可以看出在45～70 mm范圍內，隨著靶基距的增大，薄膜的帶隙寬度先增加后減小，靶基距為50 mm時的薄膜帶隙寬度最大，大約為3.54 eV，這是因為靶基距的不同引起薄膜晶體結構的不同，從而導致帶隙寬度的改變。

(b)50 mm

(c)65 mm

(d)75 mm圖5 不同靶基距下的帶隙寬度Fig.5 Band gap at different target-substrate distances

3 結束語

通過直流磁控濺射法，成功地制備出顆粒大小均勻、致密性較好、具有良好c軸取向的ZnMgO∶Ti透明導電薄膜。在靶基距50 mm的薄膜導電性能最好。在400～900 nm范圍內，平均透射率達到92%以上，薄膜光學吸收邊界出現藍移現象。靶基距對薄膜的禁帶寬度影響較大。