目前制備ZnO透明導(dǎo)電薄膜的的方法有很多種，其中包括熱解噴涂、磁控濺射、MOCVD等。熱解噴涂法工藝簡單，但是存在原料利用率低、薄膜均勻性差等缺點；MOCVD法沉積速率較高，但是成膜在襯底上的附著力較差，同時原材料的價格也很昂貴；用磁控濺射法沉積摻Al的ZnO薄膜具備沉積速率高，成膜質(zhì)量好，價格低廉等優(yōu)勢，因此國內(nèi)外很多研究機構(gòu)都采用這種工藝對ZAO薄膜的特性進行分析和研究。

　　本文利用磁控濺射工藝和Zn:Al合金靶在玻璃襯底上制備了ZnO:Al透明導(dǎo)電薄膜，研究了不同襯底溫度對薄膜的電學(xué)、光學(xué)以及結(jié)構(gòu)性能的影響。

　　2.實驗

　　采用中頻磁控濺射系統(tǒng)制備ZnO:Al薄膜，系統(tǒng)本底真空為3.5×10-3Pa,濺射靶材為300×100mm2摻雜2wt%Al的Zn:Al合金靶，純度為99.99%.采用美國AE公司中頻脈沖直流電源可以有效的消除濺射過程中的打火現(xiàn)象，防止靶中毒?；w加熱裝置采用鎢絲加熱，用熱電阻作溫度傳感器。工作氣體為氬氣，反應(yīng)氣體為氧氣，濺射過程中采用MKS薄膜氣壓計監(jiān)測氣壓。襯底為載波片，實驗前經(jīng)丙酮、去離子水超聲清洗。實驗時本底真空4.5×10-3Pa,在到達襯底溫度后一個小時開始實驗，靶材需用純氬進行10分鐘的預(yù)濺射以消除靶表面的氧化層，其它工藝參數(shù)圖表1所示：

　　薄膜的方塊電阻用四探針法測量，用VSU2-P分光光度計測試薄膜的透過率，用GTP-S型激光橢偏儀測試薄膜厚度、用X射線衍射測定薄膜結(jié)構(gòu)（2θ=10o~80o）。

　　為了考察反應(yīng)濺射過程中不同襯底溫度對薄膜的性能的影響，按照表1所列的沉積工藝，在工作壓力2.5mTorr、氧氬比3/18時，不用的襯底溫度（50℃、100℃、170℃、250℃）下制備了ZAO薄膜。

　　3.結(jié)果與分析

　　3.1 襯底溫度對ZnO:Al薄膜結(jié)構(gòu)性能的影響

　　圖1是在不同襯底溫度下制備的ZAO薄膜的X射線衍射譜。圖2是不同襯底溫度下的ZAO薄膜的X射線衍射所對應(yīng)的半高寬（FWHM）值。

　　從圖上可以看到，當襯底溫度從50℃升高到170℃時，（002）面的衍射峰明顯增高，且變得更尖銳，衍射峰半高寬同時減少，但當襯底溫度超過170℃繼續(xù)增加時，半高寬增加。分析原因，主要是隨著襯底溫度的提高，薄膜的（002）衍射峰逐漸增高，衍射峰半高寬減小，晶粒尺寸增大，晶界缺陷密度降低，使薄膜的晶化得到改善，這也導(dǎo)致載流子濃度和遷移率增大，從而薄膜電阻率降低，當襯底溫度超過170℃以上時，薄膜的結(jié)晶更加完善，缺陷密度大量減少，會導(dǎo)致電阻率上升。

　　3.2 襯底溫度對ZnO:Al電學(xué)性能的影響

　　襯底溫度對薄膜電阻率的影響如圖3所示，從圖上可以看到，隨著襯底溫度的升高，薄膜電特性得到改善，電阻率逐漸下降，到170℃時得到的薄膜的電阻率為2.16×10-4Ωcm,隨著溫度的進一步升高，電阻率又呈增大趨勢在較低的襯底溫度下，薄膜的結(jié)晶程度較差，晶粒尺寸較小，導(dǎo)致晶界增多，遷移率和載流子濃度較低，因此薄膜的電阻率較高，導(dǎo)電性能較差。隨著溫度的提高，薄膜中結(jié)晶化程度提高，晶界減少，缺陷態(tài)密度減少，薄膜的導(dǎo)電性能提高，在170℃時薄膜的電特性為2.16×10-4Ω。cm,溫度繼續(xù)升高則導(dǎo)致襯底表面活性變大，這時濺射到襯底表面的Zn粒子在襯底表面遷移很快，與O2反應(yīng)幾率加大，難以Zn原子形式存在于基片表面，故易形成接近化學(xué)計量比的ZnO膜，從而使ZAO薄膜的電學(xué)性能變差。

　　3.3 襯底溫度對ZnO:Al薄膜光學(xué)特性的影響

　　圖4是襯底溫度對薄膜透過率的影響曲線，從圖上看到，薄膜在可見光范圍內(nèi)具有較高透過率，同時伴隨溫度的增加，薄膜透過率略有提高，這可能是ZnO晶化隨著溫度升高越來越好的緣故，在光的吸收邊界還出現(xiàn)了“藍移”現(xiàn)象，但是總的來講，在可見光范圍內(nèi)，襯底溫度對薄膜的透過率影響較弱。

　　4.結(jié)論

　?。?）采用Al含量為2%（質(zhì)量分數(shù)）的鋅鋁合金靶材，利用中頻磁控濺射的方法可以制備出高性能的ZAO薄膜；當工作壓力為2.5mTorr,襯底溫度為170℃，氧氬比為3/18時得到的ZnO:Al薄膜具有良的性能，電阻率，為2.16×10-4Ω。cm,方塊電阻為30Ω時，可見光范圍內(nèi)（400~800nm）的平均透過率大于85%.

　?。?）襯底溫度影響ZnO:Al薄膜的結(jié)構(gòu)及光學(xué)電學(xué)性能，在本文的工藝條件下當襯底溫度低于170℃時，隨著溫度的增加，薄膜電阻率越低，當溫度高于170℃時電阻率呈增大趨勢。（作者：余嘉晗，劉金彪，鄧衍明）