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Word下载.docx

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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×

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×

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Ga