溅射参数对单层AZO和多层AZOCuAZO薄膜性能的影响研究毕业论文.docx
- 文档编号:14043033
- 上传时间:2023-06-20
- 格式:DOCX
- 页数:42
- 大小:943.93KB
溅射参数对单层AZO和多层AZOCuAZO薄膜性能的影响研究毕业论文.docx
《溅射参数对单层AZO和多层AZOCuAZO薄膜性能的影响研究毕业论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《溅射参数对单层AZO和多层AZOCuAZO薄膜性能的影响研究毕业论文.docx(42页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
溅射参数对单层AZO和多层AZOCuAZO薄膜性能的影响研究毕业论文
溅射参数对单层AZO和多层AZO/Cu/AZO薄膜性能的影响研究毕业论文
目录
摘要6
Abstract7
第一章绪论1
1.1引言1
1.2氧化锌的基本性质1
1.2.1ZnO的晶体结构2
1.2.2ZnO的电学性质和光学特性3
1.2.3ZnO的能带结构3
1.3ZnO的应用3
1.3.1透明导电薄膜3
1.3.2发光器件3
1.3.3紫外探测管3
1.4AZO/Cu/AZO多层透明导电薄膜的研究4
1.4.1TCO薄膜的种类4
1.4.2AZO/Cu/AZO多层透明导电薄膜的用途4
1.5本文主要研究目的和内容4
第二章透明导电薄膜的制备和表征手段5
2.1主要制备技术5
2.1.1磁控溅射技术5
2.1.2真空蒸发技术7
2.1.3PLD技术8
2.1.4溶胶凝胶技术8
2.2主要表征方法9
2.2.1表面轮廓仪9
2.2.2分光光度计9
2.2.3X射线衍射仪10
2.2.4四探针方阻仪10
2.2.5霍尔测试仪11
第三章单层AZO薄膜测试结果与讨论12
3.1引言12
3.2实验参数12
3.3实验参数对单层AZO薄膜性能的影响13
3.3.1衬底温度对单层AZO薄膜薄膜性能的影响13
3.3.2偏压对AZO薄膜性能的影响16
3.3.3后续退火对单层AZO薄膜性能的影响19
3.2本章小结19
第四章AZO/Cu/AZO多层透明导电薄膜测试结果与讨论21
4.1引言21
4.2实验参数21
4.3溅射功率对AZO/Cu/AZO多层透明导电薄膜光电性能的影响22
4.3.1溅射功率对AZO/Cu/AZO多层薄膜的光学性能分析22
4.3.2溅射功率对AZO/Cu/AZO多层薄膜的结晶性能的影响23
4.3.3溅射功率对AZO/Cu/AZO多层薄膜的表面形貌影响25
4.3.4溅射功率对AZO/Cu/AZO多层薄膜的电学性能的影响25
4.4溅射压强对AZO/Cu/AZO多层薄膜光电性能的影响27
4.4.1溅射压强对AZO/Cu/AZO多层薄膜光学性能的影响27
4.4.2溅射压强对AZO/Cu/AZO多层薄膜结晶质量的影响28
4.4.3溅射压强对AZO/Cu/AZO多层薄膜电学性能的影响30
4.5本章小结31
第五章结论32
结束语34
致谢35
作者在学术期间取得的学术成果36
参考文献37
摘要
近年来,ZnO薄膜材料在光电器件领域,获得了广泛的应用。
ZnO材料作为一种禁带宽度达到3.3eV的半导体材料,具有晶格结构、光学和电学方面的诸多优点。
并且相对于ITO薄膜,ZnO:
Al(简称AZO)薄膜的电阻率更低、可见光透过率更高,并且由于原材料储量丰富,价格低廉,制备过程不会产生污染,因此有望在透明导电领域,成为ITO薄膜的替代者。
磁控溅射技术,作为众多AZO薄膜制备技术中的一种,具有相对较高的均匀性和沉积速率,被认为是制备AZO薄膜较为理想的制备技术。
本文前两章,首先对ZnO和透明导电(TCO)薄膜的性质、结构、及发展现状进行了概括和总结,再对单层AZO薄膜和多层AZO/Cu/AZO薄膜的性能和应用领域进行了介绍,之后又对AZO薄膜的制备方法和表征方式进行了综合描述。
在此基础上,本实验采用磁控溅射技术,以纯度3N、2wt%Al2O3掺杂的ZnO陶瓷靶作为溅射靶材,在普通载玻片衬底上制备了单层和多层AZO薄膜样品。
之后对所得的样品,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪、紫外可见光谱仪(UV-Vis)等方法进行了测试分析。
着重研究了不同制备参数(包括衬底温度、溅射压强、溅射功率等),对AZO薄膜形貌结构和光电性能的影响。
最终得到了以下的结论:
通过分析并汇总实验数据,实验验证了:
AZO薄膜的晶体结构、表面形貌、及光电性能,受到衬底温度、溅射压强、溅射功率等制备参数的显著影响。
实验制备得到的所有AZO薄膜样品,均为多晶的六角纤锌矿结构,呈现c轴(002)晶面择优取向,并且在可见光区范围内的光透过率较高。
对于单层AZO薄膜来说,当溅射偏压为60V,衬底温度达到200℃时薄膜性能最佳,并且后续退火处理可以显著降低其电阻率。
以此为基础,对于多层AZO/Cu/AZO薄膜,当溅射功率达到120W,溅射压强为0.5Pa时薄膜性能达到最佳。
最终得出了,在低温区域内,磁控溅射技术制备AZO薄膜的优化工艺参数:
溅射时间30min、负偏压为60V、衬底温度200℃时、300℃氮气退火后,制得的单层AZO薄膜的可见光透过率达到81%,最低电阻率为9.2×10-4Ω·cm;以此为基础,当溅射压强为0.5Pa,溅射功率为120W时,多层AZO/Cu/AZO薄膜的可见光透过率为75%,最低电阻率为7.2×10-4Ω·cm。
关键词:
ZnO,AZO,磁控溅射,衬底温度,溅射压强,溅射功率
Abstract
Intherecentyears,ZnOfilmmaterialiswidelyusedinoptoelectronicdevices.ZnOasabandgapwidthto3.3eVsemiconductormaterialhaveadvantagesinlatticestructure,opticalandelectrical.Becauseofitslowresistivity,highervisiblelighthightransmittance,anditsrawmaterialreserves,lowprice,thepreparationprocessdoesnotproducepollution,ZnO:
Al(AZO)thinfilmsmaybereplaceoftheITOfilms.Magnetronsputteringtechnology,oneoftheAZOthinfilmpreparationtechnologies,hasarelativelyhighuniformityanddepositionrate,isbelievedtobeanidealpreparationtechnologytopreparingAZOfilm.
Inthefirstandsecondchapters,wefirstreviewZnOfilmsandITOfilmsstructure,propertiesanddevelopmentsituation.Thenintroducethesingle-layerAZOfilmandmutli-layerAZO/Cu/AZOfilmpropertiesandapplication.Atlast,wedescripttheAZOthinfilmpreparationandcharacterizationmethods.
Inthisexperience,single-layerandmulti-layerAZOfilmsampleswerepreparedoncommonfloatingglassbymagnetronsputteringtechnique.HighpuritymetallicZnO:
Al2O3(purity:
99.9%,Al:
2wt.%)targetwasusedassourcematerials.AfterinvestigatingbyX-raydiffraction(XRD),Scanningelectronmicro-scope(SEM)andUV-VisibleSpectrophotometer(UV-Vis),weanalyzethedifferentparametersinfluenceonAZOfilmsstructualandoptoelectronicproperities.Theresultsshowasfollows:
It’sverifiedthatsubstratetemperature,bias-voltageandannealingatmospherehavegreateffectonlatticestructure,opticalandelectricalpropertiesofAZOfilmsbyanalyzingtheexperimentaldata.Allthepreparedthinfilmsamplesarepolycrystallineformofwurtzitestructurewiththepreferentialorientationof(002)diffractionplane,havewelltransparencyinvisiblerange.Whenthesingle-layerAZOfilmpreparedintheconditionofbias-voltage60Vandsubstratetemperature200℃willhavethebestpropertiesandvisiblylowerresistivityafterannealinginairorN2.Whilethemulti-layerAZO/Cu/AZOfilmpreparedintheconditionofthesputteringpower120Wandthesubstratetemperature250℃willhavethebestproperties.
Thefilmexhibitedaveragetransmittanceover81%invisiblerange,thelowestresistivity9.2×10-4Ω•cmwhenpreparedatthesubstratetemperature200℃,sputteringtime30minutes,bias-voltage60V,annealingtemperature300℃.Whilethefilmlighttransmittanceis75%andthelowestresistivityis7.2×10-4Ω·cmwhenpreparedatthesputteringpower120W,thesubstratetemperature250℃,thesputteringpressure0.5Pa.
KeyWords:
AZO,magnetronsputtering,substratetemperature,sputteringpower,sputteringpressure.
第一章绪论
1.1引言
半导体(Semiconductor)与半导体技术是现代高级科学技术的核心与先导,对社会的进步起着巨大的推动作用。
ZnO由于其宽带隙特性,被认为是以GaN、SiO等为代表的新一代半导体功能材料。
它具有气敏(Gassensitivity)、光电(Photoelectric)、压电(Piezoelectricity)、压敏(Pressuresensitive)、透明导电(Transparentconductivity)等特性。
优质的ZnO薄膜不仅具有相对较宽的禁带宽度、较高的可见光透过率、较大的耦合系数、较低的介电常数、稳定的温度特性和化学性能等特点,而且在自然界中,具有丰富储量的ZnO资源、因此其价格也相对低廉,使得其在紫外光探测器、发光器件、太阳能电池、非线性光学器件、集成光学及表面声波器件等领域都具有非常重要的应用。
此外,ZnO薄膜还广泛的应用于透明导电膜、气敏传感器、压电器件、红外光、紫外光阻挡层和压敏器件等领域。
又由于ZnO薄膜性能多样、制备方法种类繁多、制备工艺成熟简单、且很容易实现改性掺杂。
以上这些特点,促使ZnO逐渐成为一种重要的具有广阔前景的半导体材料。
下面就例举几种ZnO材料的用途做简要的说明。
首先,通过掺杂改性ZnO被用作气敏传感器[],主要原理当吸附气体相对含量和种类发生变化后,材料的光电导就会相应的变化;其次,ZnO材料具有压电特性,可用作压敏电阻的制备[],[],此外ZnO还具有普通压敏材料所没有的高频特性[],[],[],[],因此又可以作为表面声波材料予以应用[],[],[][]。
本文在调研了大量文献和资料的基础上,对比了ZnO薄膜的不同制备和表征手段的特点,从材料的光电性和晶体结构角度分析了实验的可行性,提出了本论文的研究目的和用途。
1.2氧化锌的基本性质
氧化锌(ZnO)是II-VI族化合物,原子通过sp3轨道杂化,每个原子可以形成四个共价键,属于六方晶系[],具有六方纤锌矿结构[],是一种新型宽禁带半导体材料。
目前其应用范围广泛,包括表面声波材料、气敏传感器[],[],[],[]等。
表1.1给出了纤锌矿ZnO的一些基本物理参数[],[]。
表1.1纤锌矿ZnO的一些基本物理性质
1.2.1ZnO的晶体结构
前面介绍了ZnO的晶体结构属于六角纤锌矿结构,这种结构是由原子按照六面体最紧密形式堆积而成。
如图1.1所示,每个Zn原子和4个氧原子按四面体排布,(0001)面为Zn原子面。
图1ZnO的结构
1.2.2ZnO的电学性质和光学特性
ZnO的光电性质指的是:
光学上,ZnO自身具有优良的可见光透过率和光致发光特性;电学上ZnO具有较高的电阻率和压敏性质。
一般情况下研究ZnO的光透过吸收特性用紫外可见光光度计,而研究其光致或电致发光用PL谱[],其电学特性可用霍尔测试仪测试。
ZnO之所以会有上述性质,主要是由于其内部缺陷导致,这些缺陷包括:
O空位[],[],[],[]、Zn填隙[]、Zn空位[],[],[]等本征缺陷,还包括杂质缺陷如H[],[],[],[],[]等。
1.2.3ZnO的能带结构
ZnO是禁带宽度为3.37eV半导体材料[]。
在可见光波段透射率达到90%以上。
ZnO的激子束缚能达60meV,是无机半导体中最高者[]。
1.3ZnO的应用
ZnO的应用较多,下面就例举几种主要的进行介绍。
1.3.1透明导电薄膜
目前金属掺杂ZnO薄膜的电阻率已经达到10-4Ω·cm,被广泛用于汽车的挡风玻璃、太阳能电池等很多领域。
主要原理就是利用了ZnO本身的宽禁带和本征缺陷的性质。
1.3.2发光器件
ZnO薄膜除了上述所说特性外,还具有气敏、湿敏特性,并且在太阳能电池中还可以作为窗口材料。
由于ZnO薄膜表面吸附的气体种类和浓度不同决定着薄膜的光电导,因此ZnO还可以用来制作表面型气敏器件,而且在光催化领域也可以得到应用[],[],[]。
1.3.3紫外探测管
ZnO的化学和热稳定性好、生长温度较低、成膜性强,使得ZnO非常适合于制备高性能的探测器。
其中尤其是其具有优良的紫外截止性能,成为制作紫外探测管的理想材料,被广泛应用于环保、科研、军事、太空等领域。
1.4AZO/Cu/AZO多层透明导电薄膜的研究
1.4.1TCO薄膜的种类
TCO薄膜有两种:
1.是以AZO为代表的金属氧化物薄膜;2.多层TCO薄膜,即两层氧化物薄膜间夹一层金属薄膜。
1.4.2AZO/Cu/AZO多层透明导电薄膜的用途
第一代TCO以ITO材料为代表获得了广泛应用[],[],[],[],[],随着电子产业的进步,对TCO薄膜性能的要求也越来越高[],[],[],[],为了进一步提高TCO薄膜的电阻率,人们开始针对AZO/金属/AZO多层透明导电薄膜的研究。
从2009年[],[]开始发展至今[],[],人们在这方面的研究仍在继续。
因为多层薄膜的复杂性高过原单层TCO薄膜,因此尚需要大量的实验工作来得到优化的制备条件。
1.5本文主要研究目的和内容
本文主要研究内容包括:
在磁控溅射制备透明导电薄膜的过程中,衬底温度、溅射偏压和后续退火对单层AZO薄膜性能的影响;并在此基础上研究溅射功率和溅射压强对多层AZO/Cu/AZO薄膜的性能的影响。
第二章透明导电薄膜的制备和表征手段
2.1主要制备技术
随着材料学和薄膜应用的不断发展,薄膜的制备技术也不断增多,其中几种主要的方法有:
磁控阴极溅射技术、电阻蒸发技术、PLD技术[],[],[],[]。
在这些方法中阴极溅射技术,应用最多也最为广泛和成熟。
2.1.1磁控溅射技术
1.溅射原理
格洛夫于1852发现了溅射现象,此后与溅射相关的技术开始快速发展。
溅射现象用一句话概括就是,Ar电离起辉,轰击并使靶材溅射出来的现象。
辉光放电的产生压强一般为0.1Pa,当两级间被施加电压时,就会产生气体的放电自持现象。
磁控溅射按施加电源的不同可以分为射频溅射、直流溅射和脉冲直流溅射三种;按照靶材的不同又可以分为平面靶和孪生靶溅射;按照溅射过程中是否发生了化学变化,又可以分为普通溅射和反应溅射等等。
图2.1磁控溅射原理图
溅射过程是一个相对复杂的过程,下面就详细介绍一下溅射是如何产生的。
首先我们将溅射腔室抽至较低的气压状态,然后通入溅射气体一般为氩气,然后通过溅射电源,在靶材处施加一个阴极电场。
溅射气体在电场的作用下就会产生放电自持现象,电离出大量的氩离子和电子,电子在电场的作用下飞向衬底,氩离子则加速飞向靶材,如图2.1所示。
通过电场的加速作用,携带一定能量的氩离子与靶材表面产生碰撞,从而溅射出大量的靶材原子或分子沉积到衬底上成膜。
电子在飞向衬底的过程中,同时受到磁场的约束作用,被限制在靶材表面的区域内做圆周运动,在此过程中又会与氩原子碰撞,电离出氩离子和二次电子。
电子经过不断碰撞,逐渐损失能量并逐渐远离靶材表面,最终沉积到衬底上或者到达阳极被中和,如图2.2所示。
图2.2靶材表面电子运动轨迹
在上述的溅射过程中,同时伴随着一个相当复杂的物理化学变化过程,如图2.3所示。
目前还没有完善的理论解释溅射现象,只有较为成熟的动量转移和热蒸发理论。
其中热蒸发理论认为,高能粒子在碰撞过程中,在极小的区域内产生高温蒸发,从而产生出靶材溅射现象。
动量转移理论认为,溅射粒子在溅射过程中的碰撞,始终伴随着动量的传递,碰撞的结果引起了晶格点阵上的连锁式碰撞,这种碰撞又被称为碰撞级联。
比较两种理论解释,热蒸发理论无法解释溅射的余弦分布规律,而动量转移理论可以解释这一现象。
图2.3溅射过程示意图
2.溅射的特点
目前,溅射已经得到了广泛的应用,它具有以下显著特点:
1)溅射的适用范围很广,几乎可以溅射任何物质。
包括金属、合金、化合物、半导体、绝缘体的颗粒,并且反应溅射可以获得与靶材不同的化合物。
2)溅射方法制备所得的薄膜比真空蒸发技术质量好,且附着力较强。
这是因为,溅射过程中的高能粒子轰击作用,可以在衬底和薄膜间形成一层扩散层;并且高能的粒子轰击可以活化和净化衬底,因此其薄膜附着力较强。
3)溅射所制备的薄膜具有致密均匀的特点。
4)薄膜的重复性和均匀性较好,并且可以实现大面积镀膜。
2.1.2真空蒸发技术
真空蒸发技术的原理,比较容易理解,它就是将蒸发料电阻加热挥发到真空环境中,沉积成膜的方法。
其原理示意图如图2.4所示。
图2.4真空镀膜系统示意图
一般真空蒸发镀膜被分为以下三个步骤:
(1)原材料的加热与升华挥发阶段。
加热蒸发料一般采用电阻加热,此时通过控制加热功率来控制加热温度,从而获得稳定的蒸发速率。
(2)蒸气从蒸发料处挥发出来,然后移动到衬底表面阶段。
此时对于共蒸发过程,就存在蒸发区域交叠所产生的蒸发均匀性问题,因此需要合理设计蒸发源的分布。
(3)蒸发材料衬底生长成膜阶段。
此时的关键就是可以通过衬底温度来控制薄膜的结晶质量。
用真空蒸发制备所得的薄膜,大都为无定型和多晶薄膜。
薄膜生长也基本上以岛状生长为主。
整个薄膜生长过程其实是一个动态平衡过程,蒸发出来的原子一部分直接沉积到衬底上成膜,另一部分首先吸附到薄膜表面后又被反射到真空环境中。
吸附在表面的原子或分子,可以在衬底表面迁移,在迁移过程中如碰撞到其他原子就可能聚集成团。
由于蒸发生长是一个动态平衡过程,其蒸发速率和衬底温度共同作用于整个过程,所以一般来说衬底温度越低,蒸发速率越快,薄膜结晶越致密。
真空蒸发技术的优势在于,其制备地薄膜成分较容易调节和控制。
2.1.3PLD技术
起源于上世纪60年代的脉冲激光沉积(pulsedLaserDeposition)技术[],[],经过几十年的发展,如今已经发展成为一种重要的薄膜制备技术[],[]。
图2.5PLD系统示意图
2.1.4溶胶凝胶技术
图2.6溶胶凝胶技术制备ZnO薄膜流程示意图
(ZnO薄膜制备及其晶体管性能)德国科学家Dislich首次采用此技术进行了实验[],溶胶凝胶法优点在于可以常压下大面积快速生长薄膜,且此方法设备要求非常简单,只需要水浴加热装置进行前驱液的配制,匀胶机进行薄膜的旋涂。
本文中我们将采用溶胶凝胶法进行ZnO薄膜的淀积,整个过程分为前驱液的配制和薄膜的淀积两部分,具体生长过程如图2.5所示。
前驱液的配制以醋酸锌作为溶质,乙二醇甲醚作为溶剂,乙醇胺作为稳定剂,将一定质量的醋酸锌溶解于乙二醇甲醚中,再加入等摩尔的乙醇胺,其中醋酸锌和醇胺的摩尔浓度为0.75M。
在70℃条件下加热搅拌2小时后,即可获得透明澄清的溶胶。
将其静置于室温条件下24小时,如果溶胶依然保持稳定,则可以进行薄膜的旋涂淀积。
旋涂淀积采用旋转涂布对ZnO薄膜的进行淀积。
衬底表面滴加溶胶后在3000rpm的条件下旋转305度,然后经过100℃时长1分钟烘干,再放置在热板表面300℃条件下加热10分钟,此时将在衬底表面生成ZnO薄膜。
通过台阶测试后得到薄膜的厚度在20nm左右。
重复上述过程5次,可得到厚度大约为100nm的ZnO薄膜。
由于此时得到的薄膜结晶性能较差,还需要在高温条件下进行长时间退火才能使薄膜结晶。
本文中选择300℃到600℃的温度范围,将薄膜样品置于空气中退火30分钟。
对于ZnO薄膜的具体生长过程,有人通过差示扫描量热法和热失重分析(DSc-TGA)进行了研究[]。
随着温度增加到100℃左右,醋酸锌的结晶水开始分解,乙二醇甲醚开始大量脱附。
在200℃到250℃时中间体开始分解,生成的Zn和O通过热运动形成ZnO晶核。
当温度达到300℃左右时,己分解的Zn和O围绕结晶核长大形成Zno薄膜,因此溶胶凝胶法中ZnO薄膜的生长需要达到300℃左右才可以完成。
2.2主要表征方法
2.2.1表面轮廓仪
表面轮廓仪又叫做台阶仪,主要原理就是利用微米甚至纳米级别的探针,定向的扫过薄膜表面,通过探测探针的振动信号和位置变化,来获得薄膜厚度和表面粗糙度的测试仪器。
2.2.2分光光度计
分光光度计,一般指的是紫外可见分光光度计[]。
其主要原理是利用了薄膜材料会对一定波长的光产生吸收或者散射作用,将光信
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 溅射 参数 单层 AZO 多层 AZOCuAZO 薄膜 性能 影响 研究 毕业论文