文档介绍：硕士学位论文

论文题目 Si 的渗透和掺杂对 AZO 薄膜结构
和特性的影响
研究生姓名周杨
指导教师姓名江美福
专业名称等离子体物理
研究方向功能薄膜材料
论文提交日期
Si 的渗透和掺杂对 AZO薄膜结构和特性的影响中文摘要
中文摘要
ZnO是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有直接宽带隙(),属于
六方纤锌矿结构。ZnO及Al:ZnO(AZO)在光电、压电、热电、铁电和光电器件等诸
多领域都表现出了优异的性能。
随着ZnO和AZO薄膜研究及应用的进一步深入,Si的渗透或掺杂引起了广泛关
注,主要体现在两方面:
一)相关的研究和应用中,ZnO或AZO薄膜通常是以Si单晶或多晶作为衬底,在
ZnO或AZO薄膜的沉积过程中,衬底中的Si向薄膜中的渗透将形成ZnO:Si或AZO:Si
过渡层,为此,必须关注两个问题:1)过渡层厚度或Si的渗透深度对ZnO或AZO薄
膜主体结构和性能的影响;2)薄膜制备过程中基片温度对过渡层结构和性能的影响;
二)Si的掺杂可以调制ZnO或AZO薄膜的特性,但Si的掺杂浓度对ZnO或AZO薄
膜结构和性能的影响如何还不甚明了。
针对以上热点,本文以ZnO:Al:Si粉末混合烧结陶瓷靶为溅射靶,以Ar为溅射气
体,采用射频磁控溅射法,在石英和硅片衬底上沉积了Al、Si共掺杂的ZnO薄膜
(AZO:Si),开展的工作主要包括以下三个方面:
一)沉积温度设定为400℃,%的条件下,膜厚(在此等效为
过渡层的厚度或Si的渗透深度)对AZO薄膜电学、光学性质的影响。
结果显示,薄膜的电阻率、载流子浓度和迁移率都强烈地依赖于膜厚,在膜厚为
19nm时,载流子浓度和迁移率接近最小,电阻率较大,且呈现出p型导电特性。随着
膜厚增加,载流子浓度和迁移率都变大,电阻率减小并趋于稳定,膜厚在396nm附近
时电阻率接近最小,达7×10-3Ω cm,×1020cm-3
cm2V-1s-1。
结合薄膜的X射线衍射(XRD)图谱、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见光
(UV-Vis)透射光谱探讨了膜厚(等效为Si的渗透深度或过渡层厚度)对薄膜性能的
影响及其相关机制。研究表明,薄膜较薄时(20nm左右),Si的渗透对薄膜的性质的
影响比较明显,主要体现在产生Si-O-Zn键,甚至形成Zn2SiO4颗粒;随着膜厚的增加,
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中文摘要 Si的渗透和掺杂对 AZO薄膜结构和特性的影响
Si的渗透(或Si过渡层)对AZO的影响将逐渐减小,300nm左右影响已很小,基本可
以忽略;膜厚为400nm左右电阻率最低;通过控制薄膜厚度可以实现对薄膜的电阻率、
载流子浓度、光学带隙等性质的有效调控。
二)Si弱掺杂(%)条件下,薄膜厚度控制在160nm左右,研究了沉
积温度对AZO:Si薄膜的结构和特性的影响,如表面形貌、光学性质、电学性质的影
响。
结果表明:在沉积温度为400℃时,所得到的薄膜的结晶情况最佳,具有非常明
显的c轴择优取向,(002)°,几乎等于AZO薄膜的标准值,此时电
阻率接近最小,×1020cm- cm 2V1S1 ;另外,AZO:Si
薄膜的平均透射率随着沉积温度有微小变化。
三)沉积温度维持在400℃,膜厚在160nm左右,Si掺杂浓度对AZO:Si薄膜的结
构和特性,如表面形貌、光学性质、电学性质的影响。
结果表明:Si的掺杂会显著影响薄膜的光学带隙,表现为随着Si的掺入薄膜的吸
收边将出现蓝移,即向短波方向移动。但Si的掺杂会使原本结晶良好的AZO薄膜结晶
情况恶化,在较高掺杂浓度(%)下,甚至观察不到典型的ZnO的XRD衍射峰;
薄膜的导电性也随着Si掺杂浓度的增加而变差。可见,若要求掺杂不引起薄膜主体结
构和性能的明显变化,Si的掺杂浓度不宜过大,%以下。

关键词:AZO:Si 薄膜;磁控溅射;掺杂;渗透

作者:周杨
指导教师:江美福

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Si 的渗透和掺杂对 AZO薄膜结构和特性的影响英文摘要
Abstract
ZnO is a Ⅱ-Ⅵ semiconductor material with a wide direct band gap ( eV at room
temperature), and has a hexagonal wurtzite struct