a相納米氧化鋁VK-L30在AZO靶材上的應用效果優(yōu)異

時間：2020-01-05作者：宣城晶瑞新材料有限公司瀏覽：310

 

a相納米氧化鋁VK-L30在AZO靶材上的應用效果優(yōu)異

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  透明導電薄膜具有高可見光透過率和低電阻率的特點，因此可以作為平面顯示器和太陽能平面電極材料，也可用在節(jié)能方面。

   隨著半導體產業(yè)的迅猛發(fā)展，銦資源嚴重短缺、成本高得問題越來越**。目前，可替代ITO的材料是AZO、FTO、CZO、CTO等。FTO雖然性能上能達到要求，但在等離子體中定性差，原材料制備技術復雜、成本高；CZO、CTO都含有對環(huán)境不友好的Cd元素；而AZO透明導電薄膜的禁帶寬度達到3.4V,本征吸收限為360nm，可以作為薄膜電池的窗口層材料，其寬帶隙的特點可減少p，n型摻雜區(qū)對光的吸收，提高光能量的利用率。同時，AZO透明導電薄膜電阻率低，可見光透過率高，是良好的前透明層材料，與其他幾種材料相比，AZO還具有等離子體穩(wěn)定性高、制備技術簡單、原材料便宜易得、無毒等特點。這些特點使得AZO薄膜在薄膜太陽能電池領域得到了廣泛應用。目前，化學組成m（ZnO）:m(Al2O3)=98:2的AZO已經實現(xiàn)規(guī)?；瘧谩?span>

   隨著透明導電薄膜的應用發(fā)展，AZO濺射靶材及其薄膜沉淀技術成為研究熱點，但AZO靶材熱壓制備研究未見公開報導，有關AZO靶材原料粉體性能及靶材性能與薄膜性能的關系研究很少。因此，本實驗以ZnO和Al2O3為原料，在不同溫度下制備AZO靶材，并將其作為濺射源進行射頻磁控鍍膜測試，具有研究靶材的密度與孔徑分布對薄膜光電性能的影響。

1  實驗

  采用ZnO和Al2O3粉為原料，質量比為98：2，球磨混合32h后于1000度煅燒制備出混合均勻的原料粉體在惰性氣體保護氣氛中熱壓制備AZO靶材。壓力設定為18Mpa,熱壓溫度為850度、950度、1050度、1150度，升溫速率為20度/min，保溫時間為30min。

2  結果與討論

2.1  原料粉的成分與結構分析

   經過球磨混合、煅燒處理后的原料粉成分分布和形貌如圖1所示。由圖1可以看出，混合原料粉中Al分布較均勻，無明顯富集。根據(jù)面積平均法計算得：原料粉的平均粒徑為80nm，屬于納米級。

   原料粉體的結構如圖二所示。原料粉XRD中ZnAl2O4尖晶石衍射峰的細節(jié)如圖3所示。

2.2   靶材的密度與薄膜光電性能

  熱壓是對置于限度形狀的模具中松散粉末或粉末壓坯加熱的同時對其施加壓力的燒結過程。隨著溫度的升高，原子的擴散能力增強，兩個表面的原子就能越過顆粒間勢壘而鍵和。

   圖4是熱壓溫度對AZO靶材密度的影響。由圖4可以看出，隨著熱壓溫度的不斷升高，原子擴散能力增強，通過物質的傳遞，坯體總體積收縮，孔隙率迅速減小，靶材相對密度從51.7%升到94.79%。

 

    

AZ0靶材致密度對薄膜的沉積速率及其光電性能都有一定的影響。圖5顯示的是靶材密度與薄膜沉積速率的關系。靶材密度越高，孔隙率越小，薄膜的沉積速率越快。

圖6是靶材密度、濺射功率與薄膜電阻率的關系圖。在AZO薄膜中，一個Al原子替代一個Zn原子形成了一個正電中心和一個多余的價電子，這兩者之間是弱束縛。另外，氧離子脫落晶格結合成氧氣溢出并形成氧缺位，缺位電離出的電子容易被鋅離子俘獲，被俘獲電子與鋅離子之間也是弱束縛，這2種機制產生的電子很容易被激發(fā)到導帶上形成載流子。所以薄膜中的載流子來源于氧缺位和替位摻雜，薄膜的電阻率主要取決于載流子的濃度和遷移率。

由圖6可以看出，靶材的致密度越高，沉積薄膜電阻率越低。根據(jù)沉積速率測試結果，靶材密度越高，薄膜沉積速率越快。較高的沉積速率可以增加沉積薄膜的均勻性，同時由于晶粒生長快，薄膜內部的位錯等缺陷減少，由此而引入的懸空鍵減少，復活的載流子亦減少，提高了薄膜中的載流子濃度，故而所得薄膜的電阻率較低。

研究資料表明，薄膜的透光率與濺射功率也有一定的關系。隨著濺射功率增加，薄膜透光率下降。從圖7可以看出，靶材密度越高，這種影響關系也越明顯。

高密度靶材的表面沉積速率較快，尤其是在較高的功率下，膜層與基片的粘附能力及膜層的致密性都有所提高，薄膜晶體結構得到進一步優(yōu)化，從而使導帶上具有相當高的自由電子濃度，降低了薄膜電阻率。但是較高的載流子濃度將引起可見光和紅外區(qū)電磁輻射的吸收，使薄膜在可見光范圍內透光率下降。

圖8是相對密度為94.79%的靶材在濺射功率為30W下的透光率曲線。圖8中T代表平均透過率，D代表薄膜厚度?？梢钥闯?，該靶材不同沉積時間下的表面透光率均大于80%.相對密度為94.79%的靶材在衍射功率為30W下沉積20min所制備的表面的結構、外形和成分分布如圖9-圖11所示。

綜上所述，相對密度為97.79%的靶材沉積20min所制備的表面平均透過率為85.5%,電阻率為3.14×10^-4 Ω·cm ，具有（002）擇優(yōu)取向，平均晶粒為27.3nm，在放大倍數(shù)為5000倍時線掃描成分分布均勻，滿足表面太陽能對透明導電薄膜的要求。

2.2靶材孔徑分布與薄膜光電性能

圖12是2中原料熱壓靶材的孔徑分布測試結果。由圖12可以看出，煅燒處理后的原料粉熱壓制備的靶材孔徑分布在151-349nm,分布范圍高度集中，占氣孔總體積的99.55。未經煅燒處理的原料粉熱壓制備的靶材孔徑范圍較寬，主要分布在151-1085nm，其中不同區(qū)間的氣孔體積比較接近，沒有明顯的孔徑集中。

在濺射功率30W下，將以上2種AZO靶材分別濺射40min制備薄膜。表2是薄膜光電性能測試結果由表2可以看出，平均孔徑較大，孔徑分布范圍較寬的靶材，沉積薄膜電阻率較高，薄膜透光率變化不大。

2.3 耐濺鍍測試

靶材的使用壽命是指靶材在一定的功率下連續(xù)穩(wěn)定濺射沉積薄膜時間。靶材出現(xiàn)開裂、擊穿、中毒等現(xiàn)象，就會嚴重影響沉積薄膜的質量，降低靶材的使用壽命。將不同密度的靶材靶材分別在功率150W連續(xù)濺射1h，濺射靶材的直徑為70mm（功率密度為3.9W/cm2），結果如表3所示。

測試結果如表3所示，相對密度大于80%靶材連續(xù)濺射1h之后，表面平整無裂紋，使用壽命大于150W·h；密度**80%的靶材，在150W功率下持續(xù)60min發(fā)生開裂，使用壽命小于150W·h。由此驗證較低密度的靶材在長時間高功率濺射下較容易發(fā)生開裂。

 


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