氧化铟和铝掺杂氧化锌薄膜的电输运性质研究
ZnO薄膜的掺杂Al性能研究
（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
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。
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ห้องสมุดไป่ตู้600ºC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。
铝钛共掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备与性能研究
文献标识码 ： Ａ Ｄ ：１． ７ ８ Ｙ Ｙ ２ １２ ０ ． １ １ ＯＩ ０ ３ ８ ／ Ｊ ＸＳ ０ １ ６ ２ ０ ６ 中 图分 类 号 ：Ｔ ０ ． Ｎ３ ４ ２
第 ２卷 ６
第 ２期
液 晶 与 显
示
Ｖｏ ． ． ． １ ２６ Ｎｏ ２ Ａｐ ．， ０１ ｒ ２ １
２１ ０ １年 ４月
Ｃｈｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｆＬｉｕｄＣｒ ｓ ａ ｓａ ｄ Ｄｉｐ ａ ｓ ｉｅｅＪ ｕ ｎ ｌｏ ｑ ｉ ｙ ｔ ｌ ｎ ｓ ｌｙ
文章 编 号 ：０ ７２ ８ （ ０ １ ０ １ １０ １０ —７０ ２ １ ）２０ ６—４
ＴＡＺＯ ｉ ｓ ａ ｅ ｉ ｅ ｔｇ ｔ ｄ Ｔｈｅ ｅ ｅ ｉ ｅ ａｌｒ ｓ ｔ ｈｏ ｔ ｔａ ｌｔ ｐｏ ｉｅ ｉｍｓ ａ ｅ ｆｌ ｒ ｎｖ ｓ ｉ ａ ｅ ． ｍ ｘｐ ｒｍ ｎｔ ｅ ｕｌｓ ｓ ｗ ｈａ ｌ ｈｅ ｄｅ ｓｔ ｄ ｆｌ ｒ
ｓ ｂ ｔａ ｅ ｌｎ ｈ — ｘｓ ｕ ｓｒ ｔ ｓａｏ ｇ ｔ ｅｆａ ｉ．Ｗ ｈ ｎｔ ｅｓ ｕ ｔｒｎ ｒ ｓ ｕ ｅ ． 。ｔ ｅｌｗｅ ｔｒ ｓｓｉｉｙｉ ｅ ｈ ｐ ｔｅ ｉｇｐ ｅ ｓ ｒ ｓｉ ７ ５Ｐａ ｈ ｏ ｓ ｅ ｉｔ ｔ ｓ ｖ ｓ
３ ３ ×１一 ． ４ ０ Ｑ ・ｃ ｍ． Ａｌ ｔ ｅ ｆｌ ｒ ｓ ｎ ｉ ｈ ｔａ ｓ ｉ ａ ｃ ｆａ ｏ ｅ ８ ｌ ｈ ｉ ｍｓ ｐ ｅ ｅ ｔ ａ ｈ ｇ ｒ ｎ ｍ ｔ ｎ ｅ ｏ ｂ ｖ ９ ｔ ｉ ｈ ｉｉ ｌ ｎ ｔ ｅ ｖ ｓｂ ｅ
Al_N共掺杂制备ZnO薄膜及其性能研究
总酚 0.0227 0.2041 -0.113 -0.0113 -0.2228 0.0387 -0.5993
总黄酮 0.1514 0.1555 0.0386 0.036 -0.4488 0.1378 -0.5993
白藜芦醇 -0.0732 0.1845 -0.0039 -0.2102 -0.173 -0.1516 0.0223
半峰宽、2θ 衍射角、衍射峰强度
衬 底 温 度 (℃)
FWHM(°)
2θ(°)
Intensity
RT
0.4143
34.71
306.667
150
0.2985
34.76
6976.67
250
0.2842
34.81
12760.56
300
0.2752
34.89
14833.33
2012 年第 32 期（总第 47 期）
的离子获得更高的能量来优化组合，使结晶效果变好。 而随着温度进
一步提高，分子的蒸发影响了薄膜的结晶和表面特性的进一步提高。
通过 Scherrer 公式的计算，列出表 1，给出了所制备的 N 掺杂 ZnO
薄膜的结构参数。
（下转第 46 页）
表 1 不同衬底温度下制备的 Al-N 共掺杂 ZnO 薄膜的
项目与课题
Science & Technology Vision
科技视界
2012 年第 32 期（总第 47 期）
Al- N 共掺杂制备 ZnO 薄膜及其性能研究
（1.牡丹江师范学院
黑龙江
赵文海 1，2 李敏君 1 赵祥敏 1 张 伟 1 牡丹江 157012；2.牡丹江师范学院新型碳基功能与超硬材料省级重点实验室
磁控溅射功率对掺铝氧化锌薄膜特性的影响
溅 射在 高 纯 的氩 气 （ 度 纯
时 ， 接 影 响薄 膜 的溅 射 速 率 ， 溅 直 使
射原 子 来不 及选 择最 佳沉 积 位置 ， 形 成 过 大 的应 力 而产 生 缺 陷 。 同时 ， 靶 受溅射 室 内氩 离子 （ 的撞击而 发 Ａｒ ） 生溅 射 ， 如果溅 射速率 大于Ｚｎ 原子 和 Ｏ原子 的结合 速 率 ， 则会 使ＺｎＯ薄 膜
溶胶一 凝胶 （ ｌｇ１法 脉冲激光沉 ｓ — ｅ） 、 ｏ
积 、 子 束外 延 法嘲 。 用磁 控 溅 分 等 采
高 真 空磁控 与离 子 束联 合溅 射设 备 ， 选 择 靶材 为掺 有 三 氧化 二铝 （ ， Ａ１ ） Ｏ 粉 末 （ 为 ９ ．９ 的Ｚ Ｏ 末 （ 纯度 ９ ９％） ｎ 粉 纯 度 为 ９ ．９ ） 高 温 烧 结 而 成 的 陶 ９ ９％ 经 瓷 靶 ， ｎ 粉 末 中Ａｌ 。 质 量 分 数 Ｚ Ｏ ： 的 Ｏ
射淀积 的Ｚ Ｏ ｎ 薄膜 通常都具 有高 度Ｃ
轴取 向性 ， 个特 性 大大 提高 了样 品 这 的发 光特 性和 电学 性 能 ， 因此 ， 该方
Байду номын сангаас
ＺＯ ｎ 薄膜 ， 以适应 作为 电极 的需要 。 因
而 ， Ｏ也 是用 作透 明 电极 的绝 好材 Ｚｎ
料 ， 且 其 原料 丰 富、 本 低廉 、 能 而 成 性
中的Ｚ 和０比例偏 离 化学 比 ， 而 造 ｎ 从
成 较多 的Ｏ空位 或Ｚｎ 隙原 子 ， 响 填 影
利 用 Ｘ 线衍 射 仪 （ ｉａ ｕ Ｄ 射 Ｒ ｇｋ ／ ｉ ａ —ｒ Ｅ本 理 学 电机） 薄 膜 的 Ｔ Ｘ Ｂ， ｔ Ｉ 对 晶粒取 向和晶粒 大小 进行 测量分 析 ；
ZnO薄膜的制备及其光学性质的研究
山东建筑大学硕士学位论文
关键词：ＺｎＯ薄膜，射频磁控溅射，光波导，Ｘ一射线衍射，ｃ轴取向
山东建筑大学硕士学位论文
Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＺｎＯ Ｆｉｌｍｓ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ（ＺｎＯ）ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ＩＩ－ＩＶ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ａ ｗｉｄｅ ｄｉｒｅｃｔ ｂａｎｄ ｇａｐ ｏｆ ３．３ｅＶ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ａ ｌａｒｇｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｂｉｎｄｉｎｇ ｅｎｅｒｙ ｏｆ ６０ｍｅＶ．ＺｎＯ ｆｉｌｍｓ ｈａｖｅ ｍａｎｙ ｒｅａｌｉｚｅｄ ａｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｍａｎｙ ｆｉｅｌｄｓ， ｓｕｃｈ ａｓ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｄｅｖｉｃｅｓ，ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ，ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ，ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ，ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ，ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ｐｌａｎａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ，ｅｔｃ，ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ｗｉｔｈ ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｉｎ ｓｈｏｒｔ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅｓ，
氧化铟薄膜制备及其特性研究
氧化铟薄膜制备及其特性研究原子健;朱夏明;王雄;张莹莹;万正芬;邱东江;吴惠桢;杜滨阳【摘要】采用射频磁控溅射法在玻璃衬底上制备氧化铟薄膜,通过测试原子力显微镜、X射线衍射、X射线光电子谱、紫外可见分光光度计以及霍尔效应,研究了氧化铟薄膜的结构和光、电特性.实验发现,氧化铟薄膜表面粗糙度随着生长温度的升高而增大.X射线衍射结果表明薄膜为立方结构的多晶体,并且随着生长温度的升高,可以看到氧化铟薄膜的晶粒变大以及半高宽减小,这也说明结晶质量的改善.在可见光范围的透射率超过90%.同时,在氩气氛围下制备的薄膜迁移率最大,其电阻率、霍尔迁移率和电子浓度分别达到了0.31Ω·cm、9.69cm~3/(V·s)和1×10~(18)cm~(-3).退火处理可以改善氩氧氛围下制备的薄膜的电学性能.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2010(025)002【总页数】4页(P141-144)【关键词】氧化铟;射频磁控溅射;表面形貌;X射线衍射;电学特性【作者】原子健;朱夏明;王雄;张莹莹;万正芬;邱东江;吴惠桢;杜滨阳【作者单位】浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,物理系,硅材料国家重点实验室,杭州,310027;浙江大学,高分子系,杭州,310027【正文语种】中文【中图分类】TQ174Abstract:In2O3thin films were prepared on glass substrates by radio frequency(RF)magnetron sputtering.The structural,electrical and optical characteristics of In2O3films were investigated by atomic force microscope(AF M),X-ray diffraction(XRD),X-ray photoelectron spectroscope,UV-Visible spectrophotometer and Hall effect measurements.It is found that the surface roughness of In2O3thin film increases with growth temperature increasing.The X-raydiffraction(XRD)studies show that the films are polycrystalline and retain a cubic structure.As the growth temperature rises,the grain size of In2O3thin film increases and the FWHM decreases,namely,the crystalline quality of the films is improved.The optical trans mittance of the thin films exceeds 90%.The film grown in Ar atmosphere shows highest mobility with resistivity of 0.31Ω·cm,mobility of 9.69cm2/(V·s),and electron concentration of about 1×1018cm-3.And the annealing can improve the electrical properties of the film grown in the Ar+O2atmosphere.Key words:In2O3;RF magnetron sputtering;surfacemorphology;XRD;electrical properties随着薄膜生长和微结构制备技术的发展,薄膜晶体管(TFT)的应用越来越广泛,已成为多种电子、光电子产品不可缺少的组成部分,比如电脑,太阳能电池,显示器,灵敏元件等等.传统的无机TFT具有良好的性能,但是需要高温生长,常见的非晶硅(α-Si)TFT 生长温度虽然较低(75～150℃),但是非晶硅材料的带隙仅为1.7eV,对可见光是不透明的,用于显示器时会降低显示屏的开口率、增加功耗.同时有机TFT也因其较低的迁移率和稳定性问题受到限制[1-5].氧化铟是一种宽禁带的N型半导体材料,其室温下直接禁带宽度约为3.65eV,在可见光范围的透明度超过90%,并且单晶氧化铟有着很高的迁移率(160cm2/(V·s)),这些特性使得氧化铟很有希望成为下一代薄膜晶体管的有源材料,关于氧化铟薄膜材料的研究国际上已有一些报道,但是国内较少.其制备方法有:磁控溅射法[6-8]、溶胶-凝胶法[9]、反应蒸发法[10-11]等,其中磁控溅射由于其成本低、沉积速率高、沉积温度低、薄膜的粘附性好等特性得到了人们的关注.本实验采用射频磁控溅射法制备氧化铟薄膜,并研究探讨了氧化铟薄膜的微结构和光、电特性.实验用射频磁控溅射法制备氧化铟薄膜,所用靶源是高纯In2O3陶瓷靶,名义纯度为99.99%,其溅射气体采用氩气和氧气,气体纯度均超过99.999%,衬底为普通载玻片.玻璃衬底的清洗步骤是:去离子水超声波清洗三次,然后在Na2CO3溶液中80℃水浴15min,最后在浓度3%～5%的醋酸溶液中浸泡30s(每一步后均用去离子水反复冲洗),用高纯氮气吹干后放入磁控溅射设备.实验中所使用的高真空射频磁控溅射设备,通过涡轮分子泵对腔室抽气,背景真空度好于6×10-5Pa;通过复合真空计测量真空度.溅射气体通过质量流量计控制其流量.生长中以生长温度、沉积速率、气体流量、生长气压、射频功率等作为参数.实验中通过湿法腐蚀法腐蚀掉一部分薄膜,然后用台阶仪测量薄膜厚度.采用日本精工公司生产的型号为SPI3800N的原子力显微镜观察样品表面形貌,模式是轻敲模式.采用多功能超高真空VY-SPM测试样品的X射线光电子能谱(XPS).采用D/maxr A转靶多晶X射线衍射仪对样品进行晶体结构分析(XRD),射线为CuKα1线,λ=0.15406nm.采用日本岛津公司生产的UV-3150型紫外可见分光光度仪测试薄膜的透射谱.采用美国B I O-RAD公司生产的HL5500霍尔效应测量系统测量薄膜电阻率、迁移率以及电子浓度.为了了解生长温度对薄膜表面形貌的影响,首先用氩气作为溅射气体,在不同的沉积温度下生长了4个样品(1#～4#),其生长参数如表1所示,其中RT表示室温,生长气压均为1.3Pa.图1是样品1#和4#的AFM三维形貌图.测得的均方根粗糙度(Rq)由表1给出.可以看到,室温下生长的样品粗糙度最小(1.3nm),随着生长温度的升高,氧化铟薄膜的表面均方根粗糙度增大.而当生长温度达到338℃时,其粗糙度增大到了12.2nm,这可能是因为高温下生长再蒸发现象加剧,并且氧化铟可能发生分解,使得薄膜组分的化学配比发生改变,从而导致薄膜表面粗糙度的显著加大.上述结果说明低温下可以生长表面较为平整的薄膜.图2为样品1#氧化铟薄膜的XPS全谱,其中插图是放大的In3d峰,它包含In3d3/2和In3d5/2两个峰.样品是在室温下氩气溅射生长的In2O3薄膜,生长气压和功率分别为1.3Pa和100W.图中没有发现溅射气体元素的存在,说明氩气不容易进入In2O3薄膜.同时也没有看到诸如Si、K和Mg等来自玻璃基底的其他杂质元素的存在,因为在室温下生长时玻璃衬底中杂质向薄膜的扩散是很小的,而C元素可能是来自于XPS测量腔体内.从图中可以得到In3d结合能:In3d3/2是452.0eV,In3d5/2是444.6eV;O1s结合能为530.0eV,这同文献[12] 中的结果很接近.XPS结果表明射频磁控溅射得到了高纯的氧化铟薄膜材料.为了比较不同生长温度对薄膜的晶体结构的影响,测试了表1中样品1#～4#的XRD图谱,如图3所示.对照标准XRD谱可知制得的均为立方结构的多晶氧化铟薄膜,其主要的衍射峰包括(211)、(222)、(400)、(440)以及(622),位于2θ=23°附近的宽衍射峰则是由玻璃衬底引起的.图中没有看到择优取向的晶面.随着生长温度的升高,(211)以及(622)晶面逐渐增强,而(400)晶面则变弱甚至消失.表2中列出了(222)晶面对应的XRD参数,其中FWHM是衍射峰的半高宽,晶粒尺寸由谢乐公式计算得到.表2中,对于不同温度下沉积的样品,(222)晶面的衍射峰分别位于2θ=30.07°、30.33°、30.36°以及30.39°处,可见随着温度的升高,其峰位有向衍射角增大的方向移动的趋势.根据布拉格衍射理论,衍射角的增大说明晶体的晶格常数变小,导致薄膜结构更为致密.这一结论由光刻、湿法腐蚀实验所证实,发现高温下生长的In2O3薄膜更难被酸溶液所腐蚀.1#和2#的晶粒尺寸和半高宽没有明显的变化,随着生长温度的进一步升高,晶粒尺寸逐渐变大,而衍射峰的半高宽逐渐变窄,说明薄膜中可能存在的缺陷以及空位密度在减少,晶体结构得到改善.上述实验现象表明,较高温度下生长的氧化铟薄膜结晶质量较好.为研究薄膜的光学特性,采用蓝宝石晶体作衬底,在室温下用氩气溅射生长了In2O3薄膜,溅射功率和气压分别为100W和1.8Pa,并测试了薄膜的透射谱.图4所示为氧化铟薄膜的透射光谱,可以看到薄膜在可见光区的平均透射率都超过了90%,其在紫外区域的吸收明显加强,陡峭光学吸收边说明In2O3薄膜具有较高的光学质量.为得到薄膜的禁带宽度,根据方程(1)和(2)进行数值拟合[8]:其中,A和A′均为常数,α是吸收系数,d为薄膜的厚度,E为入射光子能量.这里薄膜的厚度为408nm,并利用在吸收边A≈1[8],作出(αE)2与E的关系曲线(图4插图所示),并将其线性部分外推到横轴上的截距,由此得到该样品的禁带宽度约为3.68eV,这同文献[10] 中报道的数值吻合.实验测量了在不同衬底温度、相同Ar溅射气体气压和相同溅射功率条件下沉积的In2O3薄膜的电学特性,结果表明随着衬底温度的升高,In2O3薄膜的载流子(电子)浓度增大,迁移率降低,当沉积温度为338℃时,载流子浓度达到2.6×1020cm-3,迁移率降低到6.8cm2/(V·s).显然,过高的载流子浓度对In2O3薄膜用于TFT器件的沟道层材料是不利的,为此尝试在溅射气体中加入少量O2达到降低In2O3薄膜载流子浓度的目的.文献[11] 曾报道未掺杂的氧化铟薄膜的电学特性会受到氧空位的影响,这里氧空位体现的是施主的性质.因此在生长过程中,适当的调节氩气和氧气的分压有可能使薄膜显示出绝缘体、半导体甚至导电体(透明导电薄膜)的不同特性.氩气溅射生长的薄膜存在一定浓度的氧空位,其电子浓度较高,电阻率较低.而纯氧气溅射的In2O3薄膜测量的电阻率接近无穷大,薄膜显示绝缘体的特性,这是由于氧离子对薄膜中氧空位的补偿作用,使得氧空位减少,电子浓度降低,相应的电阻率增大.实验采用(Ar+O2)的混合气体溅射制备了样品6#,氩、氧气体的流量比10∶1.样品5#和6#的其它沉积参数相同,衬底温度均为室温,溅射功率100W,测得的电学参数如表3所示.样品6#的电阻率超过103Ω·cm,其电子浓度只有～1015数量级,但是电子迁移率不高.对样品6#进行了退火处理,退火温度300℃,退火时间1h,退火后薄膜的电阻率大大降低,电子浓度增大到～1017cm-3,但是迁移率并无明显变化.可见由纯氩气溅射生长的In2O3薄膜具有更高的电子迁移率.采用射频磁控溅射法,在玻璃基底上沉积了氧化铟薄膜.薄膜具有立方多晶结构,较低温度下生长的薄膜表面更加平整,晶粒大小受生长温度的影响,较高的生长温度可获得较大的晶粒尺寸.所制备的薄膜在可见光范围的透光率平均都超过了90%.氩气溅射下生长的薄膜迁移率更高,且电子浓度达到～1018cm-3,而对氩气+氧气氛围下生长的薄膜,电子浓度减小了3个数量级,迁移率降低,经过300℃退火处理后,电子浓度提高(～1017cm-3),但是电子迁移率并没有大的改进.【相关文献】[1] Vygranenko Y,Wang K,Nathan A,et al.Stable indium oxide thinfilm transistors with fast threshold voltage recovery.Appl.Phys.Lett.,2007,91(26):2635081-1-3.[2] Wang L,Yoon M H,Lu G,et al.High-performance transparent inorganic-organic hybrid thin-film n-type transistors.Nature Materials,2006,5(11):893-900.[3] Lavareda G,Nunes de Carvalho C,Fortunato E,et al.Transparent thin film transistors based on indium oxide semiconductor.J.Non-Cryst.Solids,2006,352(23/24/25):2311-2314.[4] Wu H Z,Liang J,Jin G F,et al.Transparent thin-film transistors using ZnMgO asdielectrics and channel.IEEE Transactions on Electron Devices,2007,54(11):2856-2859. 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[6] Radha K B,Subramanyam T K,Srinivasulu N B,et al.Effect of substrate temperature on the electrical and opticalpropertiesof de reactive magnetron sputtered indium oxide films.Opt.M at.,2000,15(3):217-224.[7] Nakazawa H,Adachi K,AokiN,et al.The electronic properties of amorphous and crystallized In2O3films.J.Appl.Phys.,2006,100(9):0937061-1-8.[8] Zhang Q,Li X F,Li G F.Dependence of electrical and optical properties on thickness of tungsten-doped indium oxide thin films.Thin Solid Films,2008,517(2):613-616.[9] Flores-MendozaM A,Castanedo-Perez R,Torres-Delgado G,et al.Influence of the annealing temperature on the properties of undoped indium oxide thin films obtained by the sol-gel method.Thin Solid Films,2008,517(2):681-685.[10] Baba Ali E,EL Maliki H,Bernede J C,et al.In2O3deposited by reactive evaporation of indium in oxygen atmosphere—influence of post-annealing treatment on optical and electrical properties.M at.Chem.Phys.,2002,73(1):78-85.[11] Gopchandran K G,Joseph B,Abraham J T,et al.The preparation of transparent electrically conducting indium oxide films by reactive vacuumevaporation.Vacuum,1997,48(6):547-550.[12] Wu X C,Hong J M,Han Z J,et al.Fabrication and photoluminescence characteristics of single crystalline In2O3nanowires.Chem.Phys.Lett.,2003,373(1/2):28-32.。
NiO薄膜制备及特性研究
利用ＴＣＯ薄膜对微波的衰减性，在重要的军用信号接收仪器（计算机，雷达）的屏蔽
窗上镀上一层一定衰减性的透明薄膜，可以避免外来电磁波的侵扰。ＴＣＯ薄膜还可以 做防紫外线、红外线用的防护镜。
１．３透明导电薄膜的发展方向
１．３．１提高透明导电薄膜的综合性能
ｂｅａｍபைடு நூலகம்
ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ
ｓｏｌ－ｇｅｌ
ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ａｍｏｎｇ
ｔｈｅｓｅ
ｍｅｔｈｏｄｓ，ｒｅａｃｔｉｖｅ
ｏｎ
ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｍｏｓｔ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ
ｗｉｄｅｌｙ
ｕｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ
ｆｉｌｍｓ ｄｅｐｅｎｄ
ｖ耐ｏｕｓ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ
的性能要求。
．表１－１透明导电薄膜的主要应用及性能要求
用途
表面方阻
Ｑ／［３
透光率
Ｔａｖｇ，％
主要性能
当前透明导电薄膜在国防科技中的应用随处可见，例如夜间侦察仪器、坦克、潜
艇的观察窗等都用到了这些薄膜，不但可以隔热降温，而且可以去霜除雾。 另外，电磁波会使某些电子设备失灵。利用特定功率的干扰性电磁波扰乱敌人的
长春理工大学 硕士学位论文 NiO薄膜制备及特性研究 姓名：李俊俏 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：王新 20100301
摘
要
氧化镍是具有典型的３ｄ电子结构的半导体氧化物，是一种Ｐ型氧化物材料，它 的禁带宽度在３。０－４。ＯｅＶ之闻。壹予ＮｉＯ薄膜具有很好的化学稳定性，较好的光学，
对于ＴＣＯ薄膜来说，很难在维持很高光学透过率（９５％）的同时又使电阻率较低。 所以同时改善薄膜的光学和电学特性是今后研究的重点。进一步研究薄膜当中的载流
ZnO薄膜的光电性能及应用
ZnO薄膜的应用
压电传感器
所示ZnO压电薄膜表面 微机械传感器示意图。这种 新结构的器件既充分发挥了 表面微机械加工技术的优点, 又可利用ZnO材料的多功能 特性，与用体微机械技术制 作的集成化ZnO器件相比,可 大大简化其制作工艺和减小 器件尺寸,为研制集成ZnO薄 膜器件提供了一种有效的手 段。
空穴旋转，与氢原子类似。
ZnO的光致发光谱通常有紫外发射带和可见光发射带。紫外发射
带是来自于近带边的发射，是由于激子的复合。可见光发射带通常
与缺陷或杂质有关的深能级有关。
ZnO薄膜简介
ZnO薄膜主要用于太阳能电池，它与之前所 用的氧化铟锡( ITO) 和二氧化锡透明导电薄膜 相比，具有生产成本低，无毒，稳定性高( 特 别是在氢等离子体中) ， 对促进廉价太阳电池 的发展具有重要意义 。
ZnO薄膜的应用
湿度传感器
右图为ZnO薄膜湿 度传感器的结构示意 图。它是在陶瓷、玻 璃等绝缘基片上形成 一对叉指的检测电极， 再在叉指电极上部覆 盖用作湿敏元件的 ZnO薄膜。
ZnO薄膜湿度传感器的结构
ZnO薄膜的应用
ZnO镀膜光纤传感器
右图所示为ZnO镀膜 光纤传感器的几何结构， 其中的压电层为氧化锌 镀膜层，当内电极层和 外电极层之间的电压发 生变化时，光纤内产生 振荡声波，使得光纤的 折射率改变，在有光信 号通过时，其相位发生 变化，其本质是一种声 光谐振器。
ZnO薄膜的光电性质
纯净的理想化学配比的ZnO由于带隙较宽，是绝缘体，而不是 半导体，但是由于本身的缺陷，如氧空位、锌填隙等施主缺陷，使 其常常表现出N型导电。 在ZnO晶体的空位形成过程中，由于形成氧空位所需的能量比形 成锌空位所需的能量小，因此，在室温下ZnO材料通常是氧空位， 而不是锌空位。而氧空位产生了2价施主，使其表现出N型导电。同 时根据自补偿原理，氧空位的浓度和氧填隙的浓度之积是常数，当 氧空位的浓度很大时，氧填隙的浓度很小。锌空位的浓度较小，而 锌填隙的浓度则较大，因此，当在ZnO的晶体中氧空位占主导时， 表现出N型导电。
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氧化铟和铝掺杂氧化锌薄膜的电输运性质研究透明导电氧化物是一类宽带隙半导体材料,具有高的电导率和高的可见光透过率。
另外,其载流子浓度比典型金属低2-3个量级。
这种高电导率、低载流子浓度的特性使得透明导电氧化物成为一种研究基础物理问题的良好材料。
本文以透明导电氧化物为载体,主要研究了以下四个问题:颗粒间电子-电子相互作用对金属颗粒体系内电导率和霍尔系数的影响;电子-电子散射对三维无序导体中退相干机制的影响;变程跳跃传导对热电势和电阻率的影响;以及薄膜厚度对电子输运性质的影响。
文中样品均由射频磁控溅射法制备。
针对问题一:当薄膜足够薄时,薄膜中颗粒间形成弱连接,可能构成类颗粒膜结构。
颗粒间电子-电子相互作用对电导率和霍尔系数的修正公式也指出较低的载流子浓度值是观察电导率和霍尔系数变化的有利条件。
基于此我们制备了超薄In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和Al掺杂ZnO（AZO,Al的掺杂量为4%）薄膜作为研究对象。
研究发现超薄AZO薄膜中AZO颗粒间形成弱连接,构成类颗粒膜结构,低温下薄膜的霍尔系数和电导率均与lnT（T为温度）成正比,这主要是源于金属颗粒体系内颗粒间的电子-电子相互作用。
我们的结果为近来提出的金属颗粒系统内的电荷输运理论提供了有力的实验支撑。
然而,与超薄AZO薄膜所不同的是,超薄
In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜无法通过厚度的调节实现与超薄AZO薄膜相类似的颗粒膜结构。
低温下超薄In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜的电阻率和霍尔系数主要受传统二维无序导体中的电子-电子相互作用影响。
针对问题二:电子-声子散射通常主导三维无序金属的退相干过程。
而三维无序导体中电子-电子散射和电子-声子散射的修正公式指出在较低载流子浓度的三维体系内更易观察到电子-电子散射。
基于此,我们制备了三维
In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和重掺杂AZO薄膜（Al的掺杂量为10%）作为研究对象。
研究发现三维In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜的退相干过程并不由电子-声子散射主导,而是由小能量和大能量转移电子-电子散射主导;而三维重掺杂AZO薄膜主要的退相干机制只是小能量转移电子-电子散射。
虽然重掺杂AZO薄膜的载流子浓度与三维In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜相当,但其k<sub>F</sub>l（k<sub>F</sub>为费米波长,l为电子平均自由程）
值比三维In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜的小。
这使得三维重掺杂AZO薄膜中的大能量转移电子-电子散射强度小于小能量转移电子-电子散射强度,因此薄膜退相干过程只受小能量转移电子-电子散射的主导。
由此可
见,In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜较低的载流子浓度和较大的
k<sub>F</sub>l值给了我们机会同时观察到三维无序导体中的小能量和大能量转移电子-电子散射。
总之,我们的结果首次完全验证了40多年前提出的三维无序导体中的小能量和大能量转移电子-电子散射率理论。
针对问题三:已有相关文献报道过,通过调控In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>中的氧含量使其电阻率与温度的关系随着温度降低,出现了由Mott到
Efros-Shklovskii（ES）变程跳跃传导（VRH）的转变,并且
In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>的热电势值比Sn掺
In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>和F掺SnO<sub>2</sub>的值高约10倍,更易观察到热电势的变化。
基于此,我们在不同氧偏压下制备了三维
In<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜。
研究发现,对较高电阻样品而言,电阻率和热电势数据均随着温度降低而出现了Mott-ES VRH传导的转变。
我们的结果首次定量的验证了三维Mott VRH热电势理论的合理性。
针对问题四:薄膜厚度减小可能改变其电输运性质,尤其是当薄膜变得足够薄时,可能具有介观物理的性质,进而影响其应用。
考虑到电阻率和霍尔系数与温度的关系能揭示薄膜的输运性质,我们系统研究了不同厚度（12.57-971.18 nm）重掺杂AZO（Al的掺杂量为10%）薄膜的电阻率和霍尔系数与温度的关系。
研究发现,AZO薄膜均是连续均匀性薄膜,随着薄膜厚度的降低,样品出现了金属-绝
缘体转变。
低于约100 K时,变程跳跃传导是绝缘性薄膜主要的输运机制。
随着温度降低,电阻率ρ分别呈现ln??T<sup>-1/4</sup>和
ln??T<sup>-1/2</sup>关系,这表明绝缘性薄膜的传导机制随着温度降低出现了由三维Mott向ES VRH传导的转变。