薄膜中ZnO/Ag的相對厚度對電學性能的影響

周楓

（信義節能玻璃（蕪湖）有限公司 蕪湖 241000）

0 引言

鍍膜玻璃是在玻璃表面鍍制一層或多層金屬、合金或金屬化合物薄膜，以改變玻璃的光學性能，滿足某種特定要求，而低輻射鍍膜玻璃是鍍膜玻璃中的一種。低輻射鍍膜玻璃是對4.5～25 mm紅外線有較高反射比的鍍膜玻璃，其極大地降低了玻璃表面的輻射率，玻璃輻射率從0.84降低至0.15以下［1］。隨著人們節能減排意識的增強，市場對低輻射鍍膜玻璃的要求也隨之增高，人們不再單純地關注玻璃的外觀顏色，而更多的開始關注玻璃的性能。而性能的提升和銀層的生長息息相關。

由于銀與其他材料之間的鍵能很低，因此銀層想要達到膜厚一致，在沉積過程就需要經歷很多中間的、不連續的階段。在開始的時候銀以核結構的形式存在，這時紅外線反射率很低，并且紅外線反射率并不隨著銀層的有效厚度提高而增長。隨著銀層厚度的持續增加，結構由核結構逐漸生長為島狀結構，然后形成通道、空洞，最后形成連續的薄膜（圖1）。人們將當“通道”形成的這個點稱為“滲透極限”。而使用氧化鋅等材料可以適當地將銀層的滲透極限減低，這已經被鍍膜玻璃生產企業所認可，這也是生產企業進行膜層設計時需要考慮的［2］。

圖1 薄膜生長過程

如果銀層生長的不夠光滑，表現為結構上具有缺陷和表面粗糙，膜層中點電子將會發生散射，對金屬層的電阻率、遷移率及其他數據帶來明顯的影響，從而影響到銀層反射紅外線的能力。因此，通過霍爾效應測試儀對樣品進行測量，通過對測量數據的分析，則可以判斷銀層的生長質量。

1 實驗

1.1 薄膜制備

在玻璃上直接鍍ZnO/Ag會使銀層裸露在空氣中，存放過程中會導致膜層氧化，影響測得數據的準確性，因此，想要分析ZnO和Ag的相對厚度對電學性能的影響，必須將ZnO/Ag放在其他結構之中，且其他材料的厚度固定，在變化ZnO和Ag的相對厚度時，保證其他材料對整體的電學性質的變化無較大影響。

采用磁控濺射的方法在玻璃基底上依次鍍制SiNx薄膜、ZnO薄膜、Ag薄膜、NiCr薄膜及SiNx薄膜，腔室的本底真空度為6×10-4Pa，工作氣壓保持在（2～6）×10-1Pa范圍內。將SiNx薄膜和NiCr薄膜的厚度固定，單獨變化ZnO薄膜和Ag薄膜，ZnO薄膜的變化范圍為2～12 nm，2 nm為間隔；Ag薄膜的變化范圍為4～12 nm，同樣以2 nm為間隔，共制作30個樣品。沉積參數如表1所示。

表1 薄膜沉積參數

1.2 性能測試

采用林賽斯HCS1型霍爾效應測試儀對薄膜進行電學性質的測試。測試溫度為24～26 ℃，電流為10 mA，磁感應強度為0～0.63 T。

2 結果與討論

將測試結果分別以ZnO和Ag為基準對電阻率和遷移率數據進行分析。

電阻率是反映導體導電性能的物理量。電阻率小，導體的導電性能就越好。遷移率則是表征單位磁場強度下電子平均漂移的速度，也可理解為是用于衡量電荷載體在物質內的移動是否順暢。載流子濃度直接決定著半導體材料的導電能力，在這里使用這個參數旨在分析銀層的導電能力，并觀察條件不同是否對銀層的導電能力有影響。

雖然電阻率和體載流子濃度均可以反應導體材料導電能力的好壞，但從物理定義上講，電阻率是受體載流子濃度和遷移率的影響。

2.1 以ZnO層厚度為分析基準

以ZnO層厚度為基準，分析ZnO在相同厚度的情況下，隨著Ag層厚度的增加，膜層電阻率、遷移率和體載流子濃度的變化。如圖2～圖4所示。

圖2 ZnO為基準的電阻率

圖4 ZnO為基準的體載流子濃度

通過對圖2和圖3的分析，當ZnO膜為2 nm時，其ZnO膜自身呈現核狀或島狀，并不連續，這時的ZnO膜不能起到幫助Ag膜生長的作用，因此開始時Ag膜的生長也并不連續，電阻率和遷移率主要依靠Ag膜本身。而隨著Ag膜厚度的持續增加，Ag膜通過自身的生長逐漸成為連續的薄膜，電阻率和遷移率也趨于穩定。當ZnO膜的厚度達到4 nm時，ZnO膜已經可以幫助Ag膜生長，且同時滿足ZnO膜的厚度為4 nm，Ag膜的厚度為10 nm時，膜層的電阻率和遷移率為最優。

圖3 ZnO為基準的遷移率

通過對圖4的分析，當ZnO膜為2 nm時，Ag膜在8 nm之前成膜狀態不好，在8 nm之后，已經形成連續薄膜。當ZnO膜厚度大于4 nm時，對Ag膜的生長已經起到了幫助作用，并且可以看出隨著ZnO膜厚度的增大，Ag膜厚度不同，對體載流子濃度的影響并不大。

結合圖3和圖4的數據，從圖4體載流子濃度數據看出，當Ag膜在8 nm時已經形成了連續薄膜，再結合圖3觀察8 nm時不同ZnO膜厚度時各膜層遷移率數據，當ZnO膜為2 nm時，對比ZnO膜為4 nm及以上時，在同樣Ag膜形成連續薄膜的情況下，其遷移率明顯更低，說明ZnO的存在可以使膜層中電荷流動更加順暢，從而判斷其可以幫助Ag膜更好的生長，減少Ag生長中產生的缺陷。

2.2 以Ag層厚度為分析基準

以Ag層厚度為基準，分析Ag在相同厚度的情況下，隨著ZnO層厚度的增加，膜層電阻率、遷移率和體載流子濃度的變化。如圖5～圖7所示。

通過對圖5和圖6的分析，隨著Ag膜厚度的增加，電阻率和遷移率均在降低，當達到10 nm時為最低點，隨之數據略有上升。說明當Ag膜厚度為10 nm左右時，Ag膜的導電性能最好，這時Ag膜的缺陷最少。

圖5 Ag為基準的電阻率

圖6 Ag為基準的遷移率

通過對圖7的分析，無論ZnO膜厚度為多少，隨著Ag膜厚度的逐漸增大，其體載流子濃度也逐漸增加，膜層的導電能力也逐漸增強。

圖7 Ag為基準的體載流子濃度

3 結論

通過采用磁控濺射的方法在玻璃基板上鍍制復合膜，在復合膜中固定其他材料的膜厚單獨研究ZnO薄膜和Ag薄膜相對厚度對電學性能的影響。在富氧狀態下生成的ZnO膜，當ZnO膜厚度為4 nm及以上，并作為Ag膜的種子層時，可以使Ag膜生長盡早成連續薄膜，并減少生長中產生的缺陷。當Ag膜厚度為10 nm左右時，Ag膜的導電性能最好，這時Ag膜的缺陷最少。同時滿足ZnO膜厚為4 nm，Ag膜厚為10 nm時，膜層的電學數據呈現最優。