退火处理对氧化锌透明导电膜的结构及电学特性的影响.pdf

第19卷第6期半导体学报Vol.19,No.6
1998年6月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSJune,1998

退火处理对氧化锌透明导电膜的
结构及电学特性的影响

马瑾计峰李淑英马洪磊

(山东大学光电材料与器件研究所济南250100)

摘要采用真空蒸发技术,以醋酸锌和氯化铝作为蒸发物质,在加热的玻璃衬底上制备出氧化
锌和铝掺杂的氧化锌透明导电薄膜.研究了氢气、空气和真空退火处理对制备薄膜的结构及电
学性能的影响.

PACC:6855,7390

1引言

氧化锌透明导电膜是一种重要的光电子信息材料,优良的光电特性使其在压电转换、光
电器件及非晶硅太阳电池等方面得到广泛的应用.制备氧化锌透明导电薄膜的方法主要有:
溅射法、蒸发法、金属有机物化学汽相沉积法(MOCVD)和高温热解喷涂法[1～6].纯氧化锌
[7]
是一种宽带隙(Eg=313eV)n型半导体材料,适量掺入铝、铟或氟等,可有效地提高薄膜的
电导率,改变薄膜的性能.制备薄膜的后退火处理可以改变薄膜的结构,改善薄膜的光电特
性.
我们采用真空蒸发醋酸锌和氯化铝,在玻璃衬底上制备出了氧化锌(ZnO)和铝掺杂的
氧化锌(ZnO∶Al)透明导电膜[3,4].对制备的ZnO和ZnO∶Al膜进行氢气、空气和真空退
火处理,研究了退火处理对薄膜的结构和光电性能的影响.

2实验

用两个钨丝加热的石英玻璃舟分别蒸发纯净的醋酸锌和氯化铝,玻璃基片到蒸发源的
距离为15cm.衬底温度从室温到500℃范围内连续可调.
薄膜的性质依赖于衬底温度、源的蒸发速率等生长条件.醋酸锌的蒸发功率为30W,掺
杂源的功率为40W.设备的基础真空度为2×10-3Pa.对制备薄膜进行氢气、空气和真空退
火处理.氢气退火处理在常压下充满氢气的石英玻璃管中进行.用X射线衍射谱和扫描电

马瑾男,1960年出生,副教授,从事氧气物半导体研究
马洪磊男,博士生导师,从事非晶硅和氧气物半导体研究
1997202223收到,1997205212定稿
6期马瑾等:退火处理对氧化锌透明导电膜的结构及电学特性的影响374

镜研究薄膜的结构,观察薄膜的形貌,并对不同条件下制备的薄膜的电阻率随退火温度的变
化进行了测量分析.

3实验结果和讨论

在薄膜生长过程中,基底温度对薄膜的结构有着重要的影响.图1给出了不同衬底温度
下制备ZnO薄膜的X射线衍射
谱.可以看到,随着基片温度的升
高,衍射峰的强度增加,半高宽减
小.这表明薄膜的平均粒度随基
片温度的升高而增大.将制备的
ZnO薄膜样品置于空气中加热到
450℃退火30分钟,图2给出了退
火后薄膜的X射线衍射谱.图中
衍射峰的强度明显增大,半高宽
减小,衍射峰的位置没有明显的
改变,也没有产生新的衍射峰.这
说明退火处理使薄膜晶粒度增大
的同时,并没有改变微晶体本身图1ZnO薄膜的X射线衍射谱
的结构和取向度.基片温度:(a)350℃,(b)450℃,(c)500℃.
图3为400℃衬底温度下制备的ZnO薄膜在空气中退火前后的扫描电镜照片.同样可
以看到,退火后薄膜的结晶颗粒度明显增大.这与X射线衍射实验的结果是一致的.
ZnO薄膜在空气中退火处理
前后平均晶粒度与生长温度的变
化关系如图4所示.实验结果表
明,退火前薄膜的平均粒度随基
片温度的升高而增大;退火处理
后,薄膜的平均粒度显著增大,不
同衬底温度下制备薄膜的晶粒大
小差别很小,与制备温度关系不
大,这是由于退火使处理薄膜再
结晶的缘故.
ZnO薄膜的电导率随氢退火
时间的变化关系如图5所示.图
图2退火处理后ZnO薄膜的X射线衍射谱中曲线(1)、(2)和(3)对应的退火
基片温度:(a)350℃,(b)450℃,(c)500℃.温度分别为450℃、400℃和
350℃.为了保持实验条件的一致性,上述实验样品为同一块薄膜分割而成.图中样品的电导
率随着退火温度的升高更快地趋向一个饱和值.氢退火处理可以使ZnO薄膜的电阻率下降
5～6个数量级,最低电阻率达到8×10-38·cm.氢退火处理使得载流子浓度和迁移率增
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图3ZnO薄膜退火处理后的扫描电镜照片
衬底温度:500℃;曲线a:退火前,曲线b:退火后.
加,因而使得薄膜电阻率下降.造成载流子浓度增加的原因主要归结为氢退火处理使得电子
解脱了陷阱能级的束缚和晶粒间界吸附氧逸出[6].氢退火处理使得载流子迁移率的增加可
以利用晶界散射模型加以解释[2,8].

图4ZnO薄膜退火处理前后平均晶图5ZnO薄膜的电导率R随氢退火时间t的变化关系

粒度D与生长温度Ts的变化关系退火温度:(1)450℃,(2)400℃,(3)350℃.
曲线a为退火前;曲线b为退火后.

将制备的ZnO和ZnO∶A