B69+高迁移率掺钨氧化铟薄膜的制备研究+甘甜

高 迁 移 率 掺 钨 氧 化 铟 薄 膜 的 制 备 研 究甘 甜 ， 武 莉 莉 ， 张 艳 平 ， 张 静 全（ 四 川 大 学 ， 材 料 科 学 与 工 程 学 院 ， 成 都 ， 610065）u研 究 背 景 透 明 导 电 氧 化 物 (TCO)薄 膜 由 于 其 高 导 电 性 和 透 过 性 ， 被 广 泛 应 用 于 平板 显 示 器 ， 太 阳 能 电 池 等 领 域 。 为 制 备 导 电 性 更 佳 的 TCO薄 膜 ， 可 以 通 过 增大 迁 移 率 或 载 流 子 浓 度 来 实 现 。 但 过 高 的 载 流 子 浓 度 会 增 大 薄 膜 的 近 红 外 吸收 ， 降 低 透 过 性 。 因 此 ， 提 升 TCO薄 膜 的 迁 移 率 是 最 近 的 一 个 研 究 热 点 。 掺钨 氧 化 铟 (IWO)由 于 掺 杂 了 高 价 态 钨 元 素 ， 可 以 实 现 比 掺 杂 锡 更 高 迁 移 率 的 薄 膜 。 但 大 多 数 高 迁 移 率 IWO薄 膜 都 是 在 大 于 300℃的 高 温 制 备 条 件 下 得 到 的 ，不 满 足 某 些 器 件 的 制 备 要 求 ， 例 如 ， 硅 异 质 结 电 池 ， 钙 钛 矿 电 池 等 。u研 究 内 容（ 1） 使 用 掺 杂 0.5wt%和 1.0wt% WO3的 In2O3靶 材 ， 在 室 温 下 用 RPD镀 膜 机 在白 玻 璃 上 沉 积 IWO薄 膜 ， 并 调 节 通 入 腔 室 的 氧 气 流 量 为 0sccm， 0.1sccm或0.5sccm， 探 究 氧 气 流 量 对 薄 膜 光 电 性 质 的 影 响 。（ 2） 将 用 掺 杂 浓 度 为 1.0wt% 靶 材 制 备 的 薄 膜 放 入 快 速 退 火 炉 在 氮 气 气 氛 中200℃下 退 火 15min， 探 究 退 火 对 薄 膜 结 构 特 征 和 光 电 性 质 的 影 响 。 掺 杂 浓 度 (wt%) 氧 气 流 量 (sccm) T%(380-780nm) T% (780-1200nm)0.5 0 86.1 83.90.5 0.1 85.0 81.60.5 0.5 86.1 80.21.0 0 86.4 84.71.0 0.1 85.4 82.51.0 0.5 87.7 81.3表 1 氧 气 流 量 对 IWO薄 膜 透 过 率 的 影 响 u结 论 本 研 究 采 用 RPD法 使 用 低 掺 杂 浓 度 的 靶 材 在 室 温 下 制 备 IWO薄 膜 ， 研 究 了制 备 过 程 中 氧 气 流 量 以 及 后 退 火 对 不 同 掺 杂 浓 度 的 薄 膜 性 质 的 影 响 。 结 果 表明 ， 对 于 低 掺 杂 浓 度 的 IWO薄 膜 来 说 ， 氧 气 流 量 应 严 格 控 制 ， 沉 积 后 退 火 能明 显 增 大 薄 膜 的 结 晶 度 ， 有 利 于 载 流 子 浓 度 降 低 ， 减 小 电 离 杂 质 散 射 ， 提 升迁 移 率 。 氧 气 流 量 为 0.1sccm时 ， 使 用 掺 杂 浓 度 为 1.0wt%的 靶 材 可 制 备 出 迁 移率 为 51.5 cm2V-1s-1的 性 能 更 佳 的 IWO薄 膜 ， 在 氮 气 气 氛 下 200℃退 火 15min， 迁移 率 可 提 升 至 88.8 cm2V-1s-1 。 薄 膜 透 过 率 在 380-780nm和 780-1200nm波 段 分 别为 88.4%， 82.2%。2) 氧 气 流 量 对 薄 膜 光 学 性 质 的 影 响Ø 加 氧 制 备 对 薄 膜 的 光 学 性 质 影 响 较 小 。 随 着 氧 气 流 量 的 增 大 ， 薄 膜 在 可 见光 区 域 的 透 过 率 先 减 小 再 增 大 ， 780-1200nm波 段 的 透 过 率 略 有 降 低 。 u研 究 结 果 与 讨 论1) 氧 气 流 量 对 薄 膜 电 学 性 质 的 影 响Ø 掺 杂 更 大 浓 度 的 薄 膜 的 载 流 子 浓 度 较 大 ， 但 迁 移 率 较 低 。 增 大 氧 气 流 量后 ， 载 流 子 浓 度 出 现 明 显 降 低 ， 而 薄 膜 的 迁 移 率 呈 现 先 增 大 后 减 小 的 趋势 。Ø 在 氧 气 流 量 为 0.1sccm时 ， 0.5wt%和 1.0wt%掺 杂 浓 度 的 IWO薄 膜 的 迁 移 率分 别 提 升 至 46.9 cm2V-1s-1和 51.5 cm2V-1s-1 ， 但 低 掺 杂 浓 度 的 薄 膜 由 于 其 载流 子 浓 度 过 低 ， 电 阻 率 增 大 至 9.50× 10 -4 Ω cm。Ø 较 少 的 氧 气 的 加 入 能 填 补 薄 膜 中 的 氧 空 位 ， 减 小 载 流 子 浓 度 ， 并 减 弱 电离 杂 质 散 射 带 来 的 影 响 ， 提 升 迁 移 率 。 但 过 多 的 氧 气 不 仅 会 填 补 氧 空 位 ，还 会 进 入 晶 界 ， 成 为 捕 捉 电 子 的 陷 阱 ， 进 一 步 减 小 载 流 子 浓 度 ， 降 低 迁移 率 。Ø 对 于 低 掺 杂 浓 度 的 IWO薄 膜 来 说 ， 氧 气 的 加 入 应 严 格 控 制 。 图 1 氧 气 流 量 对 IWO薄 膜 电 学 性 质 的 影 响 3) 退 火 对 薄 膜 结 构 的 影 响Ø 为 进 一 步 提 升 薄 膜 的 性 质 ， 对 掺 杂 浓 度 为 1.0wt%， 加 氧 0.1sccm和0.5sccm的 IWO薄 膜 进 行 退 火 处 理 。Ø 退 火 前 后 的 薄 膜 都 呈 现 (222)方 向 上 的 择 优 生 长 ， 加 氧 制 备 和 后 退 火 都 可以 增 强 结 晶 度 ， 但 退 火 对 薄 膜 结 构 的 影 响 更 大 。 图 2 退 火 前 后 IWO薄 膜 的 XRD图4) 退 火 对 薄 膜 电 学 性 质 的 影 响Ø 退 火 后 ， 载 流 子 浓 度 降 低 ， 薄 膜 迁 移 率 有 较 大 提 升 。 这 与 结 晶 度 增 强 以及 载 流 子 浓 度 降 低 带 来 的 电 离 杂 质 散 射 减 弱 有 关 。Ø 对 比 退 火 后 的 XRD图 可 知 ， 制 备 过 程 中 加 入 较 少 氧 气 的 IWO薄 膜 在 退 火后 ， 呈 现 更 大 的 结 晶 度 ， 且 载 流 子 浓 度 变 化 更 大 ， 这 可 能 归 因 于 退 火 后 ，薄 膜 的 结 构 更 加 有 序 ， 有 利 于 退 火 气 氛 中 残 留 的 少 量 氧 气 进 入 薄 膜 填 补氧 空 位 ， 降 低 电 离 杂 质 散 射 。Ø 加 入 过 量 氧 气 制 备 的 薄 膜 由 于 引 入 的 缺 陷 过 多 ， 退 火 后 ， 薄 膜 性 质 的 提 升 较 小 。退 火 处 理 氧 气 流 量 (sccm) ρ(10-4Ωcm) N(1020cm-3) μ(cm2V-1s-1)否 0.1 4.635 2.613 51.5是 0.1 4.641 1.514 88.8否 0.5 11.470 1.127 48.3是 0.5 10.23 1.069 57.1表 2 退 火 对 IWO薄 膜 电 学 性 质 的 影 响 图 3 退 火 前 后 IWO薄 膜 的 透 过 谱 图5) 退 火 对 薄 膜 光 学 性 质 的 影 响Ø 除 了 加 入 较 少 氧 气 未 退 火 的 薄 膜外 ， 其 他 薄 膜 的 短 波 吸 收 边 均 出现 蓝 移 ， 这 一 结 果 与 薄 膜 的 结 晶度 有 关 。Ø 退 火 对 薄 膜 近 红 外 波 段 的 透 过 率影 响 较 小 。 电 学 性 质 最 佳 的 薄 膜的 透 过 率 在 380-780nm和 780-1200nm波 段 分 别 为 88.4%， 82.2%。