|
您现在所处的位置：
首页 > 电子制造 > 薄膜淀积 > 正文 |
 |
|
|
| 掺Ａｌ ＺｎＯ 柔性透明导电薄膜研究进展 |
| 2008年6月17日 16:26
|
张化福，袁玉珍，刘汉法，刘云燕
（山东理工大学物理与光电信息技术学院，山东淄博２５５０４９）
０ 引言
透明导电薄膜是指那种对可见光的平均透过率高（Ｔ ＞ ８０％）、电阻率低（ρ＜ １０-３ Ω•ｃｍ）的薄膜，在太阳能电池、平板显示器、薄膜晶体管（ＴＦＴ）、气敏元件、抗静电涂层［１-２］以及半导体／绝缘体／半导体（ＳＩＳ）异质结［３］、现代战机和巡航导弹的窗口等［４］领域具有广阔的应用前景。目前广泛应用的透明导电薄膜是在硬质衬底（玻璃和陶瓷）上制备的，这些衬底材质脆、不易变形，限制了透明导电薄膜的应用。随着半导体工艺水平的发展，以柔性聚合物为衬底制备各种薄膜半导体器件已成为现实。在有机衬底上沉积的透明导电薄膜不仅具有硬质衬底透明导电薄膜的光电性能，而且具有重量轻、可折叠、不易破碎、便于输、设备投资少等优点。但柔性衬底致命弱点是不耐高温，不利于制备具有优良光电性能的透明导电膜。
本文总结了近年来对柔性衬底材料处理的方法，分析了柔性透明导电薄膜的研究历史和现状，介绍了柔性透明导电薄膜ＺＡＯ 的结构、光电特性、制备方法及其应用，分析了其研究现状，并对其研究和应用工作进行了展望。
１ 衬底材料
在柔性衬底上沉积ＺＡＯ 薄膜的首要问题是选择衬底材料。柔性衬底材料种类繁多，好的ＺＡＯ薄膜用柔性衬底材料必须符合四个条件：（１）材料透明性要好（Ｔ＞９０％）； （２）衬底要有一定的耐温性；（３）衬底和薄膜间的匹配性、附着性要好；（４）衬底的化学稳定性要好，且与薄膜间的相互扩散要小，这是器件长时间正常工作的重要保障。可用作柔性衬底的材料有：米拉、聚乙烯对二苯二甲酯（ＰＥＴ）、聚碳酸酯（ＰＣ）、聚丙烯、聚酰亚胺
（ＰＩ）、聚丙烯二酯（ＰＰＡ）、聚四氟乙烯等；常用的有ＰＥＴ 和ＰＩ，这两种衬底可以承受２００ ℃的高温。
在柔性衬底上沉积ＺＡＯ 薄膜有三个缺点：不耐高温；对氧气、水蒸气的阻隔性能差；与ＺＡＯ薄膜的粘附性不好。衬底温度低和衬底阻隔性差不利于导电薄膜的成核与长大，使ＺＡＯ 薄膜与衬底的粘附力小，从而导致ＺＡＯ 薄膜的电阻率提高［５］。为了降低ＺＡＯ 薄膜的电阻率，可在沉积ＺＡＯ 薄膜之前，先对柔性衬底进行预处理，从而改善柔性ＺＡＯ 薄膜的性能。
主要方法有在柔性衬底上沉积缓冲层，使其阻隔性提高，以利于薄膜的生长，从而降低导电薄膜的电阻率。常用的缓冲层有Ａｌ２Ｏ３、ＧａＮ、ＳｉＯ２、ＺｎＯ 和ＰＩ、ＰＥＴ 等。Ｚ Ｌ Ｐｅｉ 等人［６］将ＺＡＯ 薄膜分别沉积在有Ａｌ２Ｏ３ 缓冲层的ＰＥＴ 基片和纯ＰＥＴ 基片上，实验发现在ＺＡＯ 薄膜的电阻率显著下降，电阻率为８４ × １０ － ４Ω•ｃｍ，在可见光区透过率为８０％。Ｍ.Ｋｕｍａｒ 等人［７］利用脉冲激光沉积工艺以ＧａＮ 为缓冲层在蓝宝石衬底上获得结晶质量很好的外延ＺＡＯ 薄膜。此外，对柔性衬底进行退火处理，也能在不同程度上改善透明导电薄膜的性能。
虽然通过对柔性衬底的预处理，能在不同程度上改善透明导电薄膜的特性，但仍然存在透明导电薄膜与柔性衬底的粘附力不够强的问题。Ａ.Ｎａｋａｏ等人［８］认为聚合物薄膜离子注入技术是解决剥离问题的有效方法。为了有效地提高柔性透明导电薄膜的光电性能，必须寻找更好的柔性衬底处理方法。
２ 柔性透明导电薄膜的研究历史和现状
柔性透明导电薄膜是近１０年来出现的一种新型的功能薄膜材料。目前，该类薄膜已得到国内外学者的广泛研究，在众多的柔性透明导电薄膜中，以ＩＴＯ 和ＺＡＯ 最具代表性。Ｗ.Ｆ.Ｗｕ等人［９］首次在不加热的聚碳酸酯衬底上采用射频磁控溅射法制备了ＩＴＯ 薄膜，当氧分压从０％增大到４６％时，电阻率从６ × １０ － ４Ω•ｃｍ增大到２ Ω•ｃｍ。Ｆ.Ｎｉｉｎｏ 等人［１０-１２］对柔性ＩＴＯ 薄膜进行的研究发现，制备工艺、镀膜设备、制备条件和衬底对ＴＩＯ 薄膜结构和性能有很大影响。目前，在柔性衬底上沉积ＩＴＯ 薄膜的工艺已较成熟，但低温沉积的ＩＴＯ 薄膜的电阻率偏高、价格较昂贵限制了ＩＴＯ 薄膜的应用，并且在柔性衬底上制备薄膜与玻璃衬底上有很大区别，有待于进一步开发ＩＴＯ 薄膜的低温制备技术。ＺＡＯ 薄膜与ＩＴＯ 薄膜的光电性能相当，且无毒、在氢等离子体中化学稳定性高、资源丰富、价格便宜，已成为近期的研究热点。
３ 柔性透明导电薄膜ＺＡＯ
３.１ 晶体结构
优质的ＺｎＯ 薄膜具有Ｃ 轴择优取向生长的众多晶粒，每个晶粒都是生长良好的六角纤锌矿结构［１３-１４］。ＺＡＯ 薄膜中Ａｌ３ ＋ 对Ｚｎ２ ＋ 的部分替换使ＺｎＯ 的晶格常数发生变化，但经过退火处理后的ＺＡＯ 薄膜均为六角纤锌矿结构，与ＺｎＯ 薄膜的结构相同［１５-１６］。按照一般的晶体学模型［１７-１８］， ＺｎＯ晶体是由氧的六角密堆积和Ｚｎ 的六角密堆积反向嵌套而成的。晶格常数ａ ＝ ０.３２５ ｎｍ，ｃ＝０.５２１ ｎｍ，配位数为４∶４，每一个Ｚｎ 原子都位于四个相邻的氧原子所形成的四面体间隙中，但只占据其中半数的氧四面体间隙，氧原子的排列情况与锌原子相同。单位晶格中含有两个分子，体积Ｖ ＝０.０４７ ６１５ ｎｍ３。这种结构比较开放，间隙原子的形成焓比较低，半径较小的原子容易形成间隙原子。在ＺｎＯ 中掺入Ａｌ２Ｏ３ 时，由于Ａｌ 离子半径（ＲＡｌ ＝０.０３９ ｎｍ）比Ｚｎ 离子半径（ＲＺｎ ＝ ０.０６０ ｎｍ）小，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。Ａｌ 原子趋向于以Ａｌ ＋ ３ ＋ ３ｅ 的方式发生固溶，Ａｌ ＋ ３占据晶格中Ｚｎ ＋ ２的位置，形成一个一价正电荷中心ＡｌＺｎ 和一个多余的价电子，这个价电子挣脱束缚而成为导电电子。因此掺入Ａｌ２Ｏ３ 的结果是增加了净电子，使晶粒电导率增加。ＺＡＯ 薄膜为直接带隙简并半导体，掺杂后光带隙发生蓝移，且能隙变化与载流子浓度的１／３ 次方成正比［１９］。
３.２ 光电特性
ＺＡＯ 薄膜的禁带宽度（略低于ＺｎＯ 薄膜的３.３ ｅＶ）大于可见光子能量（３.１ ｅＶ），在可见光（３９０ ～ ７６０ ｎｍ）照射下不能引起本征激发，所以对可见光是透明的，透射率大于８０％。ＺＡＯ 薄膜对电磁波的本征吸收限约为３６０ ｎｍ，处于紫外区，ＺＡＯ 薄膜具有紫外截止特性。ＺＡＯ 薄膜的直流电阻率为１０ － ３ ～ １０ － ５Ω•ｃｍ；载流子浓度很高，通常在１０２０ ｃｍ－ ３以上；霍尔迁移率为１０ ～ ４０ ｃｍ２•Ｖ－ １•ｓ－ １。研究表明，随着薄膜电阻率的降低，ＺＡＯ 薄膜的吸收边向可见光短波方向移动［２０］，高度简并的ＺＡＯ 薄膜的载流子浓度很高，表现出类金属的性质［２１］。ＺＡＯ 薄膜的红外反射率随着方块电阻的减小而增大，随着膜厚的增大而增大。在ＺＡＯ 薄膜中，点缺陷和外部掺杂原子作为施主产生大量自由电子而具有高浓度的载流子，并且费密能级进入导带，从而使其变成简并半导体。所以，ＺＡＯ 薄膜具有优异的导电性能。ＺＡＯ 薄膜之所以是透明的，是其具有较大的光学禁带宽度。透明导电薄膜的光学带隙与其载流子浓度密切相关［２２］，这意味着ＺＡＯ 的电学性质与光学性质有着内在的本质联系。
|
|
第
[1]
[2]
页
下一页
|
|
|
|
|
