In摻雜濃度對ZnO薄膜結構、光學及電學特性的影響

王 冬

（重慶師范大學 物理與電子工程學院，重慶 401331）

透明導電氧化物（TCO）是一種具有低電阻率、高可見光透過率和高熱/化學穩定性的材料，廣泛應用于平面顯示器、薄膜晶體管和薄膜太陽能電池等光電子器件領域。當前，氧化銦錫（ITO）因其突出的電學和光學性能而被作TCO的理想材料。然而，ITO具有低穩定性、高毒性和高成本等問題，使得人們不斷努力開發替代材料。近年來，氧化鋅（ZnO）以其低成本和優異的光電性能被認為是替代ITO的極佳選擇。為提高ZnO薄膜的電導率和透光率，通常在ZnO中加入Al、Ga、In等 III族元素，其中In3+半徑與 Zn2+半徑最為接近，摻雜后引起的ZnO晶格畸變更??；此外，In 的電負性大，相比 Al、Ga、Zn 更加遲鈍，難以形成氧化物，有利于替代Zn晶格位，實現有效施主摻雜。鑒于ZnO薄膜的光學、電學性能受摻雜的In含量影響較大，那么系統研究In摻雜濃度對ZnO薄膜的結構、電學和光學性能的影響，探索最佳的In摻雜濃度，對開發實用型ZnO薄膜材料顯得十分重要。

1 實驗

借助射頻磁控濺射技術在石英襯底（5×5 mm）上制備了3種不同In（0%、1%、2%）摻雜濃度的ZnO薄膜，分別標記為S1、S2、S3。腔體的本底真空度為2×10-4Pa；生長過程中，通入40 sccm的高純氬氣到腔體中，控制濺射氣壓、濺射功率和時間分別為1.0 Pa、120W和90min。所制備的薄膜厚度由SEM測量。使用具有銦-鎵合金作為電極的Ecopia HMS-3000霍爾測試儀測試樣品的電學性質，以確保良好的歐姆接觸。通過X射線衍射儀器表征薄膜晶體結構，其X射線發射源為CuKα1（λ=0.1540598nm）。采用紫外-可見-紅外分光光度計（日立U-4100）測試薄膜的光學特性。

2 結果與討論

圖1給出了不同In摻雜濃度對ZnO薄膜的膜厚和晶體結構的影響。從圖1（a-c）可以發現：晶粒呈現柱狀生長，In摻雜使得薄膜生長率減緩。從圖（d）可以看到，樣品S1、S2、S3均有明顯的002峰出現，表明所有樣品均為六方纖鋅礦結構，且沿c軸擇優生長。In摻雜ZnO薄膜的002峰的強度相比于純ZnO薄膜有所減弱，表明In摻雜導致了薄膜晶體質量的衰退。

圖1 不同ZnO薄膜的SEM截面圖

圖2給出了不同In摻雜濃度下的ZnO：In薄膜的透射譜。從圖2中發現，所有樣品在可見光范圍內都具有良好的透過率，均在85%以上。圖2中插圖為ZnO：In薄膜的禁帶寬度和載流子濃度隨In濃度增加的變化情況。隨著In摻雜濃度的增加，電子濃度逐漸提高，并伴隨著光學禁帶寬度的擴大，源于Burstein Moss效應的存在。In作為有效的施主摻雜，提供了過量的電子濃度，導致n型重摻雜的形成。而在導帶已有大量電子填入，使得電子從價帶躍遷至導帶需要獲得更多的能量，間接擴大了光學帶隙。

圖2 不同ZnO薄膜的透射光譜

3 結語

本課題研究了In摻雜濃度對ZnO薄膜的結構、光學及電學性能的影響。結果表明所有的ZnO：In薄膜均呈六方纖鋅礦結構，In摻雜會降低薄膜的生長率和結晶質量。In作為有效的施主型摻雜可明顯提高ZnO的電子濃度。此外，隨著In含量增加，薄膜的光學禁帶寬度增加，與Burstein Moss效應密切相關。