透明导电GZO薄膜电学和光学性能的研究进展

ZnO因其价格便宜、无毒等优点,最有希望替代昂贵的掺锡氧化铟ITO,但未掺杂ZnO是高阻材料,如何提高其光电性能,制备出高质量的ZnO薄膜是实现其应用的关键。其中,Ga掺杂是提高ZnO性能的一种有效手段。从制备方法、掺杂浓度、生长条件等方面综述了Ga掺杂ZnO(GZO)薄膜光电性能的研究进展,归纳总结后发现:适当增加掺杂量、提高衬底温度等都有利于薄膜光学和电学性能的提高。目前,GZO薄膜电阻率最低可达10-3～10-4Ω.cm,透光率一般可达80%以上,光电性能可以满足透明导电膜的要求,但其性能的稳定性还不如广泛使用的ITO。因此,GZO薄膜要达到实际应用要求,尚需进一步优化工艺,提高其性能的稳定性。     

In掺杂ZnO透明导电薄膜光电性质的研究

采用射频磁控溅射技术成功制备出无掺杂和In掺杂的ZnO透明导电薄膜.研究了In掺杂对薄膜的结构和光电性能的影响.结果表明,In掺杂有利于提高ZnO薄膜结晶度,使薄膜表面更加致密平整;由于In3+替代了Zn2+,提供了大量的剩余电子,使薄膜的导电性质得到了很大的提高,所得薄膜的最小电阻率为4.3×10-3Q·cm.制备的ZnO薄膜在可见光范围的透过率达到了85%,In的掺杂对透光率的影响不大.     

掺杂浓度对AZO薄膜结构和光电性能的影响

采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺在普通玻璃基片上成功地制备出高c轴择优取向性、高可见光透过率和低电阻率的Al3+掺杂型的ZnO透明导电薄膜,对这种薄膜进行了X-射线衍射和扫描电镜分析,并对其光电性能作了详细的研究。结果表明,制备的薄膜为钎锌矿型结构,呈c轴方向择优生长;其可见光透过率可达85%以上;Al3+掺杂型的ZnO透明导电薄膜的电阻率在1.5×10-2~8.2×10-2Ω.cm。     

本征和Al3+掺杂ZnO薄膜的特性研究

采用溶胶-凝胶方法在载玻片衬底上制备了本征及不同Al3+掺杂浓度的ZnO:Al薄膜,利用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜,紫外-可见光吸收光谱及霍尔效应研究了Al3+掺杂浓度对ZnO:Al薄膜结构和光电性能的影响。结果显示,ZnO:Al薄膜为六角纤锌矿晶体结构,具有很高的沿c轴的(002)择优取向,Al3+掺杂并没有改变ZnO的晶体结构,只是Al取代了Zn;掺杂前后薄膜样品均在ZnO带边吸收的位置有较强的吸收而在可见光范围吸收较小;并且当Al3+掺杂浓度为1.5%(摩尔百分比)时所获得的ZnO:Al薄膜具有最小的电阻率,为26Ωcm。     

衬底温度对PLD法制备的ZnO:Ga薄膜结构和性能的影响

利用脉冲激光沉积法在石英衬底上制备了镓掺杂氧化锌(ZnO:Ga)透明导电薄膜,研究了衬底温度对薄膜的结构、表面形貌和光电性能的影响.研究表明:制备的ZnO:Ga薄膜是具有六角纤锌矿结构的多晶薄膜.随着衬底温度的增加,衍射峰明显增强,晶粒尺寸增大.当衬底温度为450℃时,薄膜的最低电阻率为8.5×10<'-4>Ω·cm,...     

Cu掺杂浓度对ZnO薄膜的结构、透光性和电学性质的影响

采用射频磁控溅射方法在导电玻璃和石英衬底上制备了未掺杂和不同Cu掺杂量的ZnO薄膜.XRD显示,适当的Cu掺杂增强了ZnO的(002)衍射峰的强度;用紫外分光光度计测量了样品的透光性,结果显示,随掺杂量的增加,其透光性减弱,但在Cu掺杂量为9.6%时其透光性还在60%以上.用四探针测量了样品的表面电阻率,薄膜的电阻率随Cu掺杂量的增加而增加.     

掺杂浓度对AZO薄膜结构和性能的影响

采用溶胶–凝胶工艺在玻璃基片上制备出Al3+掺杂型的ZnO(AZO)透明导电薄膜,对薄膜进行了XRD和SEM分析,并对其光电性能作了详细的研究。结果表明薄膜为纤锌矿型结构,呈c轴方向择优生长;薄膜的可见光透过率可达80%以上;Al3+掺杂型的ZnO透明导电薄膜的电阻率为1.5×10–2~8.2×10–2?·cm。     

掺钛氧化锌透明导电薄膜的制备及特性研究

利用直流磁控溅射法在室温水冷玻璃衬底上成功地制备出了掺钛氧化锌(ZnO:Ti)透明导电薄膜.研究了靶衬间距对ZnO:Ti薄膜结构、形貌和光电性能的影响.研究结果表明,靶衬间距对ZnO:Ti薄膜的结构和电阻率有显著影响.X射线衍射(XRD)表明,ZnO:Ti薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有c轴择优取向.在靶衬间距为4.6 cm时,实验获得的ZnO:Ti薄膜电阻率具有最小值4.18×10-4Ω·cm.实验制备的ZnO:Ti薄膜具有良好的附着性能,可见光区平均透过率超过92%.ZnO:Ti薄膜可以用作薄膜太阳能电池和液晶显示器的透明电极.     

掺锆氧化锌透明导电薄膜的制备及特性研究

利用射频磁控溅射法在室温水冷玻璃衬底上成功地制备出了掺锆氧化锌(ZnO:Zr)透明导电薄膜.研究了溅射功率对ZnO:Zr薄膜结构、形貌和光电性能的影响.研究结果表明,溅射功率对ZnO:Zr薄膜的结构和电阻率有显著影响.X射线衍射(XRD)表明,ZnO:Zr薄膜为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,且具有C轴择优取向.在溅射功率为150 W时,实验获得的ZnO:Zr薄膜电阻率具有最小值3.8×10-3Ω·cm.实验制备的ZnO:Zr薄膜具有良好的附着性能,可见光区平均透过率超过92%.ZnO:Zr薄膜可以用作薄膜太阳能电池和液晶显示器的透明电极.     

ZnO:Ti透明导电薄膜的制备与光电性能研究

采用直流磁控溅射法,在水冷7059玻璃衬底上制备了具有高透射率和相对低电阻率的掺钛氧化锌(ZnO:Ti)透明导电薄膜,研究了溅射偏压对ZnO:Ti 薄膜结构、形貌和光电性能的影响.结果表明,ZnO:Ti 薄膜为六角纤锌矿多晶结构,具有c轴择优取向.溅射偏压对ZnO:Ti 薄膜的结构和电阻率有重要影响.当溅射偏压为10 V时,电阻率具有最小值1.90×10–4 Ω· cm.薄膜具有良好的附着性能,可见光区平均透射率超过90%.该ZnO:Ti薄膜可以用作薄膜太阳能电池和液晶显示器的透明电极.     

射频磁控溅射制备ZnO∶Ga透明导电膜及特性

采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备出高质量的镓掺杂氧化锌(ZnO∶Ga)透明导电膜,并对薄膜的结构和光电特性以及制备参数对薄膜性能的影响进行了研究.制备的ZnO∶Ga是具有六角纤锌矿结构的多晶薄膜,最佳择优取向为(002)方向.薄膜的最低电阻率达到了3.9×10-4Ω·cm,方块电阻约为4.6Ω/□,薄膜具有良好的附着性,在可见光区的平均透过率达到90%以上.     

有机衬底SnO_2∶Sb透明导电膜的研究

采用射频磁控溅射法在有机薄膜衬底上制备出 Sn O2 ∶ Sb透明导电膜 ,并对薄膜的结构和光电特性以及制备参数对薄膜性能的影响进行了研究 .制备的样品为多晶薄膜 ,并且保持了纯二氧化锡的金红石结构 .Sn O2 ∶ Sb薄膜中 Sb2 O3的最佳掺杂比例为 6 % .适当调节制备参数 ,可以获得在可见光范围内平均透过率大于 85 %的有机衬底 Sn O2 ∶ Sb透明导电薄膜 ,其电阻率～ 3.7e- 3Ω· cm ,载流子浓度～ 1.5 5e2 0 cm- 3,霍耳迁移率～ 13cm2 /( V · s )     

ZnO基紫外光电探测材料研究

ZnO作为II-VI族直接宽禁带半导体材料,在室温下的禁带宽度约为3.37 eV,对应紫外波段的光子能量,且ZnO具有较高的化学和热稳定性,较强的抗辐射损伤能力,来源丰富,电子诱生缺陷较低等特点,适用于制备高性能的紫外探测器。而ZnO在掺杂后形成的合金可调节其禁带宽度,并与ZnO的晶格失配度及热膨胀系数差别较小,可构成量子阱或超晶格结构被广泛地应用于光电器件中,提高光电性能,所以相关的带隙工程的开展有利于推进实用的高性能的ZnO基光电器件的开发。尤其是对于ZnO基紫外探测器件,ZnO基三元合金具有可调控其探测波段到日盲区的特点,在此基础上所实现的紫外探测器在军事和民用领域具有广泛应用。基于此,笔者采用掺杂的方式调制ZnO的禁带宽度,使ZnO基三元合金材料的光学禁带宽度达到4.4 eV以上,获得可用于日盲紫外光波段探测的ZnO基光电探测器;同时,通过控制掺杂技术开发ZnO基异质复合结构,可应用于高性能的紫外光电发射探测器件。主要内容和创新性结果如下:1.采用溶胶–凝胶方法制备了Mg、Cd、Al掺杂的ZnO基三元合金薄膜,并对其微结构和光电性能进行研究,分析其掺杂效率和光学禁带调制效应,获得掺杂对ZnO薄膜禁带宽度调制的规律,并从不同元素掺杂引起Zn3d电子结合能变化的角度探讨了其禁带调制的机理。2.采用射频磁控溅射法制备AlxZn1-xO(AZO)合金薄膜,研究不同掺Al浓度对其微结构和光电性质的影响规律,研究表明:Al粒子数分数增大到20%会导致ZnO纤锌矿结构的消失,表明掺Al的固溶度在20%以内,而当掺Al粒子数分数达到30%则出现新的晶相;且随掺Al粒子数分数增加,薄膜中晶粒细化,电阻率大幅上升;通过改变Al组分可较大地展宽光学带隙,在Al粒子数分数为30%时带隙被展宽至4.43 eV。3.探讨氧气氛对AZO合金薄膜导电性的影响,并通过对其微结构和光电特性的研究发现:溅射过程中通入少量氧气有利于获得结晶质量较好的c轴择优取向薄膜;而纯氩气氛下溅射的薄膜具有很低的电阻率,拉曼测试和SEM分析表明其存在特殊的内建电场和c轴取向平行于膜面的晶粒;溅射过程中氧分压的增加会导致薄膜的绝缘性能增强;其透光谱显示光学吸收边发生明显蓝移。4.研究AZO合金薄膜的光电响应性能,结果表明:掺入Al可抑制ZnO薄膜中氧空位缺陷的形成,Al粒子数分数的增大使得薄膜的绝缘性能增强,有利于实现暗电流低的光电探测器件,提高其光暗电流比,尤其是可以抑制慢速的氧气吸附和解吸附反应,从而提高器件的响应速度。获得的快速响应的AZO探测器在紫外光照下显示出对称的非线性特征,即采用元件替代方法将光敏电阻应用于蔡氏电路时,在变型蔡氏电路中可产生三涡旋光电混沌吸引子。5.研究掺Al对AZO薄膜表面势垒和功函数的影响,通过对不同Al浓度AZO合金薄膜的C-V测试,获得其表面接触势垒高度随Al浓度增加而减小的规律;分别从理论计算和I-V-T测试拟合研究了5%粒子数分数掺Al对ZnO薄膜表面功函数的影响,两种方式获得的表面功函数值分别下降了0.090 eV和0.098 eV。以上研究结果表明掺Al使得AZO薄膜的费米能级上移至导带,从而形成较小的表面势垒,有利于电子从表面逸出。6.研究将AlxZn1-xO薄膜用于实现NEA紫外光电阴极,制作AZO阴极真空光电管,其光暗电流相差两个数量级以上。采用高导电AZO薄膜作为透明导电底电极,在其上诱导生长阳离子空位为主导的AZO纳米晶表面层,由以上掺杂调制技术获得的AZO异质复合结构阴极材料,因为底电极和阴极膜同属AZO材料体系,界面间结合紧密,并能有效实现能带调制,具有良好的紫外光电发射性能。在铯激活条件下的测试结果为:暗电流为0.2 nA,在254 nm波长的紫外光照射下产生220 nA光电发射电流,光暗电流比达到103数量级。     

掺杂及工艺条件对室温制备ZnO∶Al性能的影响

采用直流磁控溅射工艺,在室温条件下制备了ZnO∶Al(ZAO)薄膜,研究了Al掺杂量和溅射工艺参数等对ZAO薄膜光电性能的影响.结果表明:Al掺杂量和溅射工艺参数均对薄膜的电阻率有显著影响,在Al掺杂质量分数为3%、溅射功率为100 W以及Ar压强为1.5 Pa的条件下,室温溅射淀积的ZAO薄膜可获得1.4×10-3 Ω*cm的最小电阻率;Al掺杂量和工艺参数对薄膜的透光率均无明显的影响,薄膜的平均透光率在86～90%,但随Al掺杂量和溅射功率的增加,薄膜的截止吸收边均向短波长方向移动.对薄膜优值因子的分析表明,适合采用的Ar压强值在0.6～2.0 Pa.     

低温生长ITO薄膜及其在太阳电池中的应用

氧化铟锡(ITO)同时结合了可见光范围内高透过率和高电导率等特性,被广泛应用于Si基薄膜太阳电池中。本文侧重研究了采用反应热蒸发(RTE)技术低温(约160℃)生长ITO透明导电薄膜过程中不同Sn掺杂含量对薄膜微观结构以及光电性能的影响。实验结果表明,随着Sn掺杂含量的增加,ITO薄膜微观结构稍有变化,薄膜的电子迁移率呈现先增大后减小的趋势,薄膜的光学带隙一定程度上呈现展宽趋势;对于较高的Sn掺杂含量,在低温条件下电离杂质散射和中性杂质散射成为影响电子迁移率降低的重要因素。经过薄膜生长优化,较佳的Sn掺杂含量为6.0wt.%,ITO薄膜电阻率为3.74×10-4Ω·cm,电子迁移率为47cm2/Vs,载流子浓度为3.71×1020cm-3,且在380~900nm波长范围内的平均透过率约87%。将其应用于结构为SS/Ag/ZnO/nip aSiGe:H/nipa-Si:H/ITO/Al的n-i-p型a-Si:H/a-SiGe:H叠层太阳电池,取得的光电转化效率达10.51%(开路电压Voc=1.66V,短路电流密度Jsc=9.31mA/cm2,填充因子FF=0.68)。     

射频磁控溅射制备ZnO：Ga透明导电膜及特性

采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备出高质量的镓掺杂氧化锌 (ZnO∶Ga)透明导电膜 ,并对薄膜的结构和光电特性以及制备参数对薄膜性能的影响进行了研究 .制备的ZnO∶Ga是具有六角纤锌矿结构的多晶薄膜 ,最佳择优取向为 (0 0 2 )方向 .薄膜的最低电阻率达到了 3 9× 10 -4Ω·cm ,方块电阻约为 4 6Ω/□ ,薄膜具有良好的附着性 ,在可见光区的平均透过率达到 90 %以上 .     

射频磁控溅射制备ZnO∶Ga透明导电膜及特性

采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备出高质量的镓掺杂氧化锌（ZnO∶Ga）透明导电膜，并对薄膜的结构和光电特性以及制备参数对薄膜性能的影响进行了研究．制备的ZnO∶Ga是具有六角纤锌矿结构的多晶薄膜，最佳择优取向为(002)方向．薄膜的最低电阻率达到了3.9×10－4Ω·cm，方块电阻约为4.6Ω/□，薄膜具有良好的附着性，在可见光区的平均透过率达到90％以上．     

衬底温度和溅射偏压对ZnO:Al透明导电膜结构和光电特性的影响

利用射频磁控溅射法在有机薄膜衬底和7059玻璃衬底上制备出了具有良好附着性的低电阻率的 ZnO:Al透明导电膜。研究了薄膜的结构和光电特性与衬底温度的关系,薄膜为多晶纤锌矿结构,垂直于衬底的 c 轴具有[002]方向的择优取向,薄膜的最低电阻率分别为 1.01×10–3ù·cm 和 8.48×10–4ù·cm,在可见光区的平均透过率分别达到了72%和 85%。并研究了溅射偏压对有机衬底 ZnO:Al 薄膜结构及光电特性影响,最佳负偏压为 60 V。     

磁控溅射制备柔性衬底ZnO:Ga透明导电膜研究

室温下,采用磁控溅射方法在有机柔性衬底聚酰亚胺(PI)表面制备出ZnO:Ga透明导电薄膜,研究了薄膜的结构及光电性能,其附着性良好,电阻率为9.1×10-4Ω·cm,可见光透过率为85%.     

绒面ZnO薄膜的生长及其在太阳电池前电极的应用

研究了MOCVD技术制备的不同B2H6掺杂流量下ZnO薄膜的微观结构和光电性能变化.XRD和SEM的研究结果表明,ZnO薄膜具有(110)峰择优取向的绒面结构特征.当B2H6流量为10sccm时,在6cm×6cm面积玻璃衬底上生长出厚度为1000nm,方块电阻为～12Ω/□,平均透过率大于80%,迁移率为30.5cm2/(V·s)的绒面结构ZnO薄膜.PL谱测试表明B掺杂提高了ZnO薄膜的晶体质量,有力地说明了B掺杂ZnO薄膜具有更好的电学稳定性;低压H2氛围中退火可以有效提高ZnO薄膜的电子迁移率.将其用作Si薄膜太阳电池的前电极,电池性能与日本Asahi-U type SnO2作前电极的电池具有同等效果.