ZnO薄膜的掺杂Al性能研究

ZnO薄膜的掺杂Al性能研究

ZnO薄膜是一种具有广泛应用前景的材料，国际上也涌现出许多以ZnO为研究重点的科研小组，开展了许多相关的科研工作。ZnO薄膜由于量子空间局域作用使得大量电子被束缚在晶界处，表现出很强的界面效应，使其比体材料及其它金属氧化物材料有更高的导电率，透明性和传输率。氧化锌薄膜作为一种优异的光电和压电相结合的电子信息材料，它在压电转换，光电显示以及集成电子器件等方面有广泛的应用。拥有优良的压电特性，一直在SAW器件中的到应用。此外还可用作紫外光探测器，发光器件，传感器件，太阳能电池的透明电极等。

至今ZnO和ZAO薄膜有很多种制备方法，其中包括：磁控溅射法、脉冲激光沉积（PLD）、分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）、超声喷雾热解及溶胶凝胶法（Sol-gel）等制备工艺。其中，磁控溅射应用较为广泛和成熟。磁控溅射法（Magnetron sputtering）是研究最多和应用最广泛的方法。制备ZnO薄膜时，是以Zn或ZnO为靶，而在ZAO薄膜的磁控溅射过程中，靶材可以用Zn/A1合金靶，也可用ZnO/A12O3氧化物陶瓷靶，在O2或O2/Ar气氛下，利用磁控射频溅射，将其沉积到基片上的方法。磁控溅射法的优点：

（1）成膜速率高，膜的附着性好；

（2）可适用于多种涂膜材料，包括各种合金化合物；

（3）适用于各种不同的基材和形状；

（4）可实现大面积镀膜。[3]

此方法的缺点：

（1）绝缘靶会使基板温度上升；靶子的利用率低，这是因为靶子侵蚀不均。

（2）不能直接地实现强磁性材料的低温高速溅射。

Al掺杂ZnO薄膜的意义

通常ZnO存在各种缺陷，它们严重影响了半导体材料的电学和光学性能。未掺杂ZnO材料通常表现为n 型导电特性，一般认为是由于氧空位和间隙锌等本征点缺陷的存在而导致的。近年来，由于Al 掺杂的ZnO薄膜(ZAO)具有与ITO 薄膜相比拟的光电性能，即可见光区的高透射率和低电阻率，同时又因其价格较低以及在氢等离子体中的高稳定性等优点，已经成为替代昂贵的ITO薄膜的首选材料和当前透明导电薄膜领域的研究

热点之一。

通过采用溶胶-凝胶方法在玻璃上制备ZAO薄膜，用SEM对薄膜进行表征得出不同铝掺杂浓度下薄膜的表面形态，用XRD表征生长的取向，研究了不同浓度和热度处理的条件对薄膜取向和结晶的影响，可以发现氧化锌压电薄膜的性能发生了影响：1%铝掺杂浓度条件下ZAO 薄膜的结晶性与微观组织结构，其c 轴择优取向性较好；在进行热处理100ºC 并退火600ºC 以上的条件下制备出的ZAO 薄膜，其c 轴取向都较优，单晶结晶较好，且光学透射性能较佳。

在ZnO中掺杂Al之后，可以形成ZnO:Al（ZAO）薄膜。由于ZnO晶体结构比较开放，半径较小的组成原子容易变成间隙原子，Al的离子半径为0.53埃，比锌的离子半径(0.74埃)小，所以Al原子容易成为替位原子而占据Zn原子的位置，也容易成为间隙原子而存在。在ZnO中掺Al之后，其导电性能大幅度提高，电阻率下降，而且在可见光区的平均透过率在85％以上，完全可以与ITO薄膜相媲美。

掺Al并没有改变ZnO薄膜的晶体结构，而是取代了Zn的替位掺杂。ZAO薄膜具有c轴高度择优取向的六方纤锌矿结构，配位数为4。对ZAO薄膜的光电子能谱(XPS)分析表明，薄膜中Al以Al3+的形式存在，Zn以Zn2+，O以O2-的形式存在。俄歇能谱分析表明，薄膜中Zn与O的原子比在整个厚度中基本保持不变，其值大于1，说明薄膜内处于缺氧状态。在ZAO薄膜中Al3+对Zn2+的部分替换使ZAO薄膜的晶格常数c发生了变化，但薄膜仍然表现为c轴高度择优取向。

ZnO压电薄膜具有很好的性能，在实际应用领域里具有非常重要的地位。ZnO薄膜作为一种良好的半导体器件，可以与多种半导体器件实现集成化，因此受到人们的极大关注，具有广阔的发展前景。对应于不同器件的制作要求，选用不同的生长方法得到高质量的ZnO薄膜，同时改进器件的制作工艺，提高器件质量将仍是今后其研究的重点。C轴取向和表面粗糙度对薄膜压电特性有很大影响，高度c轴取向生长和表面粗糙度较小的，ZnO薄膜表现出更好的压电性质。同时掺杂的研究如铝和锂的掺杂能一定程度改观ZnO压电薄膜的某些特性，从而使ZnO压电薄膜更好的在实际中得到应用。元素掺杂带来的性能上的改良和新应用也是当今ZnO压电薄膜的研究热点。ZnO压电薄膜还有巨大的发展和研究空间，其性能更是有待突破传统的ZnO压电薄膜性能，进入新的研究领域和新的突破。