用直流磁控濺射法在玻璃襯底上成功制備出了鈦鎵共摻雜氧化鋅(GZO:Ti)透明導電薄膜,研究了濺射壓強和功率對GZO:Ti薄膜的微觀結構和光電性能的影響。研究結果表明,所制備的GZO:Ti薄膜為六角纖鋅礦結構的多晶薄膜,且具有c軸擇優取向。濺射壓強和功率對薄膜的電阻率和微觀結構均有顯著影響。隨功率增大,薄膜電阻率降低,生長率增大。所制備的薄膜的最小電阻率為1.81×10-4Ω·cm,可見光區平均透過率大于84%。

　　關鍵詞：GZO:Ti薄膜;透明導電薄膜;濺射壓強;濺射功率;磁控濺射

　　摻錫氧化銦透明導電薄膜(ITO) 在光電池和液晶顯示等方面已得到了廣泛的應用。由于銦屬貴金屬, 自然界儲量少, 產品成本高, 且有毒, 一些研究者已把研究方向轉向其它材料。氧化鋅基透明導電薄膜以其原料豐富、性能優越、無毒等優點, 引起研究者關注。為了提高ZnO 薄膜的光電性能, 或改善薄膜在酸堿環境中的化學穩定性, 在氧化鋅中單元素地摻雜, 如Al, Zr, Ti, Ga 等, 或Zr-Al, T-i Ga, A-l Mn等兩種雜質共摻, 已越來越引起人們的研究興趣[1-9] 。文獻[8] 介紹了鈦和鎵的摻雜量各占最佳摻雜量的一半時的共摻雜情況, 其最小電阻率為2118 @ 10- 4 8#cm。本實驗中鎵的摻雜量3% 為最佳摻雜量[ 6] , 鈦的摻雜量僅占015%, 目的是通過摻微量的鈦來改善摻鎵氧化鋅( GZO) 的性能, 獲得光電性能優良的鈦鎵共摻雜氧化鋅( GZOBTi ) 透明導電薄膜。

　　制備透明導電薄膜的方法很多, 其中磁控濺射法是目前工業上應用較廣的一種鍍膜方法。在沉積條件不變的情況下, 濺射壓強或功率的改變會影響薄膜的厚度、結晶質量, 從而影響了薄膜的結構、光電性能。本文采用直流磁控濺射法在玻璃襯底上低溫制備出了GZOBTi 透明導電薄膜。討論了濺射壓強和功率對GZOBTi 薄膜結構、表面形貌、光電性能的影響。實驗所獲得GZOBTi 薄膜樣品的最小電阻率為1181 @ 10- 4 8#cm, 在可見光區范圍( 400~760 nm) 內平均透過率大于84% , 具有良好的光電性能。

GZOBTi 薄膜的制備

　　實驗采用JGP500C2 型高真空多層膜磁控濺射系統在室溫水冷玻璃襯底上制備GZOBTi 薄膜。所用陶瓷靶材是從合肥科晶材料技術有限公司訂購,由純度為99199% 的ZnO, Ga2O3 和TiO2 粉末經高溫燒結而成, 其質量分數分別為9615% , 310%, 015% 。系統的本底真空度為510 @ 10- 4 Pa, 沉積時間為30min, 基片與靶材的距離為60 mm。濺射所采用的氣體為991999% 的高純氬氣, 濺射鍍膜時氬氣流量為30 cm3/min。為了研究濺射壓強和功率對薄膜結構、性能的影響, 濺射時功率分別定為80 和60 W,濺射壓強從119 Pa 增加到915 Pa, 制備了10 個不同的薄膜樣品。薄膜大小約25 mm @ 50 mm, 比較均勻, 膜厚為116~ 374 nm。襯底為普通玻璃, 在放入濺射室之前先后經過丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗, 再經紅外干燥后裝入濺射室。

樣品測試

　　用SDY-4 型四探針測試儀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d , 薄膜的電阻率根據公式Q=Rd 計算得到, 用TU-1901 型雙光束紫外可見分光光度計測量薄膜的光學透過率( 測量范圍260~ 900nm) , 用FEI Sirion 200 型熱場發射掃描電子顯微鏡(SEM) 觀察薄膜的表面形貌, 用D8 ADVANCE 型X射線衍射(XRD ) 儀( CuKA1 靶, 射線源波長為0115406 nm) 測試薄膜的衍射譜。

　　采用直流磁控濺射法在玻璃襯底上低溫制備出了GZOBTi 透明導電薄膜。研究結果表明: 所制備的GZOBTi 薄膜為六角纖鋅礦結構, 濺射壓強和功率對薄膜的晶體結構、表面形貌、光電性能均有很大影響。當濺射壓強為715 Pa , 功率為80 W 時, GZOBTi 薄膜的電阻率具有最小值1181 @ 10- 4 8#cm, 可見光區平均透過率大于84%, 具有良好的光電性能。GZOBTi 透明導電薄膜因其具有較高的可見光透過率和較低的電阻率, 在液晶顯示器、薄膜太陽能電池等方面具有廣泛的應用前景。

　　Abstract: The Ga-Ti co-doped zinc oxide(GZO∶Ti) films were deposited by DC magnetron sputtering on glass substrates.The impacts of the growth conditions on microstructures and properties were evaluated.The GZO∶Ti films were characterized with X-ray diffraction,scanning electron microscopy and conventional probes.The results show that the sputtering power and pressure strongly affect the microstructures and resistivity of the hexagonal wurtzite-phased polycrystalline films with a preferential orientation in c-axis.For example,as the sputtering power and deposition rate increased,its resistivity decreased.The lowest resistivity of the GZO∶Ti film,grown under the optimized conditions,was found to be 1.81×10-4 Ω·cm,with an average transmittance of above 84% in the visible range.

　　Keywords: GZO∶Ti films,Transparent conducting films,Sputtering pressure,Sputtering power,Magnetron sputtering

參考文獻：
　　[1]徐藝濱,杜國同,劉維峰,等.ZnO:Al透明導電薄膜的制備及其特性分析[J].人工晶體學報,2006,35(3):569-572
　　[2]任明放,王華,許積文,等.摻雜及工藝條件對室溫制備ZnO∶Al性能的影響[J].液晶與顯示,2009,24(1):52-56
　　[3]Liu H F,Zhang H F,Lei C X,et al.Influence of the Sputter-ing Pressure on the Properties of Transparent Conducting Zir-conium-Doped Zinc Oxide Films Prepared by RF MagnetronSputtering　　[J].Journal of Semiconductors,2009,30(2):023001-4
　　[4]Zhang H F,Lei C X,Liu H F,et al.Low-Temperature Deposi-tion of Transparent Conducting ZnO:Zr Films on PET Sub-strates by DC Magnetron Sputtering[J].Applied Surface Sci-ence,2009,255(11):6054-3056
　　[5]劉漢法,張化福,郭美霞,等.襯底溫度對直流磁控濺射法沉積ZnO:Ti薄膜性能的影響[J].真空科學與技術學報,2011,31(1):95-99
　　[6]余旭滸,馬瑾,計峰,等.薄膜厚度對ZnO∶Ga透明導電膜性能的影響[J].功能材料,2005,36(2):241-243
　　[7]張化福,劉漢法,袁長坤,等.鋁鋯共摻雜氧化鋅透明導電薄膜的低溫制備及特性研究[J].真空科學與技術學報,2010,30(3):306-310
　　[8]史曉菲,郭美霞,劉漢法,等.濺射功率對直流磁控濺射法沉積TGZO薄膜性能的影響[J].人工晶體學報,2010,39(4):972-976
　　[9]Cao H T,Pei Z L,Gong J,et al.Transparent Conductive Aland Mn Doped ZnO Thin Films Prepared by DC ReactiveMagnetron Sputtering[J].Surface and Coatings Technology,2004,184(1):84-92
　　[10]郭金玲,沈岳年.用Scherrer公式計算晶粒度應注意的幾個問題[J].內蒙古師范大學學報(自然科學漢文版),2009,38(3):357-358
　　[11]周繼承,李莉.濺射氣壓對ZnO透明導電薄膜光電性能的影響[J].中國有色金屬學報,2009,19(7):1278-1283