MgZnO：Al透明导电膜的制备与特性研究_图文

1、山东大学硕士学位论文MgZnO:Al透明导电膜的制备与特性研究姓名:王永利申请学位级别:硕士专业:微电子与固体电子学指导教师:马瑾20070430 山东大学硕士学位论文氩分压分别设置为1.0Pa、1.5Pa、2.0Pa、2.5Pa、3.OPa。研究Ar分压对Mgo.1Zno.90:AI薄膜的结构、电学和光学性质的影响。3.2.1薄膜的结构特性图3.2.1给出了不同溅射缸气压下Mgo.17:ao.90:A1薄膜的x射线衍射谱。衍射谱表明,所有薄膜都是六角纤锌矿多晶薄膜,没有明显的MgO分离相。Mgo.1Zno.90:AI薄膜的择优取向平行于与衬底垂直的c轴。按照Ar气压由小到大的顺序,Mgo.1

2、Zno.90:Al薄膜的(002衍射峰位置2p分别为34.64。、34.6l。、34.56。和34.58。,相应半高峰宽分别为0.325、0.340、0.369和0.382。由此可见,随着溅射加气压的增大,衍射峰强度逐渐减小,半高峰宽增大,薄膜结晶程度变差,这主要因为溅射气压增高,离子间碰撞增加。薄膜晶粒的大小可以根据X射线衍射谱利用Scherre公式进行估掣1011。:0.92以,tJ。瓦i而式中p为衍射峰的半高宽,l为x射线的波长,在实验中2=0.154178nm,0为衍射角,厶“为晶面O奶方向的晶粒线度。通过公式估算得薄膜平均晶粒尺寸分别为25.6rim、24.5rim、22.6rim和

3、21.8rim。 图3.2.1不同溅射Af气压下MgniZno.90:Al薄膜的X射线衍射谱Fig3.2.1X-ray diffraction spectrum for MgnlZne.90:AI fdms with different sputtering pressure 山东大学硕士学位论文薄膜的光学带隙可以由a2一11,(其中口是吸收系数,hv是光子能量曲线的直线部分外推到能量轴得到。由上述透射谱可知,在不同溅射气压下生长的薄膜具有相同的吸收边,所以它们有相同的光学带隙。鉴于此,我们仅给出了在溅射气压为2Pa时生长薄膜的M妒与加的关系,如图3.2.4所示。由此计算出样品的光学带隙为3.

4、62cV,明显高于纯zn0的光学带隙3.3eV。33溅射功率对MgZnO:Al薄膜特性的影响实验条件为:溅射气压固定为ZOPa,衬底温度为室温,溅射时间为30min,溅射功率分别设置为:踟w、lw、120w和140W。研究溅射功率对M甑1砜.90:Al 薄膜的结构、电学和光学性质的影响。 图33.1不同溅射功率下Mgo.1砜90:AI薄膜的x射线衍射谱F.g3.3.1【.fV sp咖m幻M甑l砜如:AI films们由different叩Il位cfiIlg po嘣33.1薄膜的结构特性图3.3.1给出了不同溅射功率下M甑lZno.则薄膜的x射线衍射谱。由图中可以看出,所有薄膜都是六角纤锌矿多晶

5、薄膜,择优取向平行于与衬底垂直的C 山东大学硕士学位论文 图3.4.1不同衬底温度下生长Mge.1Za0.90:AI薄膜的XRD谱玩3.4.1X-ray diffraction spectrum for MgoaZn0.90舢films prepared at diffeltnt substrate 山东大学硕士学位论文 图3.4.2不同衬底温度下生长Mgo.1ZnogO:AI薄膜的原子力显微镜平面图像似mZ啪(a130C180C(c230CFi93.4.2AFMmicrographs(2/amX劫mfortheMgolZno.90:Alfilmspreparedatdifferent sub

6、strate Wmperamre:(a130C Co180C(c230C 山东大学硕士学位论文 图3.4.3不同村底温度下生长M乳1Zno.90:AI薄膜的原子力显微镜立体图像4锄(a130C180C(c230Csubswate啪ture:(a130C秭180C(c230CF;93.4.3The3DAFM mi四唱ral衄4皿霉仰fortheM甑190枷filmsprepared atdifferent利用原子力显微镜观察到Mgo.1Zno.90:AI薄膜的表面形貌如图3.4.2所示。图中给出了衬底温度为130、180和230时生长薄膜的表面形貌。随着衬底温度的增大,薄膜晶化程度提高,。晶粒逐

7、渐增大。在1踟时,薄膜晶化程度最好。温度继续升高,薄膜的晶化程度略有下降.这与我们前面分析Mgo.1Zno.90:AI薄膜x射线衍射谱计算得到的结果是一致的。图3.4.3给出了上述三个样品的立体图像。3.42薄膜的电学特性Mgo.1Zno.90:A1薄膜的电阻率、载流子浓度和霍尔迁移率随衬底温度的变化如图3.4.4所示。由图可以看出,随着衬底温度的升高,薄膜的电阻率逐渐下降,这是由于载流子浓度和迁移率随衬底温度的变化关系所决定的。在衬底温度为180时,电阻率达到最小,约为9.0X102DRcm,温度继续升高,电阻率略有回升。Mgo.1Zno.90丛J薄膜的霍尔迁移率随衬底温度升高而增大,这是因

8、为衬底温度升高时,薄膜的晶化程度增加,晶粒增大,晶格缺陷减小,使得散射减弱,迁移率增大。在衬底温度为180对,霍尔迁移率有最大值3cm2V-2s-1。薄膜的载流子浓度随衬底温度的升高也逐渐增大,这是由于衬底温度升高,薄膜结构趋于完整,晶格缺陷减少,掺杂效应起主导作用.由此可见,随衬底温度升高,薄膜结晶变好,其霍尔迁移率和载流子浓度变大,电阻率变小.湿度继续升高,电阻率略有下降,这可能是由于薄膜在高温衬底上生长速率过快的缘故. 山东大学硕士学位论文3.5退火处理对MgZnO:Al薄膜特性的影响实验条件为:溅射气压固定为2.0Pa,溅射功率固定为100w,溅射时间30分钟,在室温下溅射。对制备薄膜

9、样品进行真空退火,研究退火处理对Mgo.1Zno.90:AI薄膜的结构、电学和光学性质的影响。3.S.1薄膜的结构特性图3.5.1给出了在不同的退火温度下Mgo.1Zno.90:AI薄膜的x射线衍射谱。由图中可以看出在不同的退火温度下,只观察,JY(002衍射峰,200C、2500和400退火的样品的衍射峰位置甜分别为34.60。、34.52。和34.52。,这些数值与未退火Mgo.1Zno.90:AI薄膜的衍射峰位置非常接近,表明经过退火处理的Mgo.,Zno.90:AI薄膜同样具有六角钎锌矿结构。随着退火温度的升高,衍射峰的强度明显增强,半高宽减小,半高峰宽分别为0.377、0.345和0

10、.312,说明薄膜的晶化程度随着退火温度的升高而增强,晶粒增大,由Scherre公式估算得薄膜的晶粒大小分别为22。1rim、24.1nm和26.6rim。 圈3.5.1不同退火温度处理后Mge lzll0.90:A1薄膜的谱Fig3.5.1X-ray diffraction spec钒堋for Mgo.tgno.49:Al films annealing at different temperature山东大学硕士学位论文利用原子力显微镜(A啪接触模式下观察玻璃衬底上的Mgo.1zn0.90:砧薄膜的表明形貌如图3.5.2所示。由图可以看出,随着退火温度的升高晶粒逐渐增大。薄膜晶化程度提高,

11、结构趋于更加完整。这与我们前面对薄膜x射线衍射谱的分析结果是一致的。图3.5.3则是该样品的原子力显微镜立体图像。 图3.5.2不同退火温度处理后MgelZno.90:Al薄膜的原子力显微镜平面图像国l4m(a:200C O250C(c300C(d400CF螗35.2AFMmicrographs(2pm2pmfortheMgo.1Zno.90:AIfilms annealing atdifferenttemperature:国200C250C(c300C(d400 山东丈学硕士学位论文 图3.5.3不同退火温度处理后Mgo.1Zno.90:Al薄膜的原子力显微镜立体图像圆m犁m(a200(2Co250(c300(2(d400F蟾3.5.33DAFMmicrographs(;啪犁mfortheM甑lZrh90洲fdms annealing atdifferenttemperature:(a200C Co250(2(c300C(d4001矿101图3.5.4Mgo.1Zao.90:Al薄膜的电阻率、载流子浓度0和霍尔迁移率随退火温度的变化Fig 3.5.4Resistivity 0,concentrations Oand Hall mobifity Oof MgoaZno.90:Al films勰afunction of annealing temperature3.5.2