a相纳米氧化铝VK-L30在AZO靶材上的应用效果优异

时间：2020-01-05

13305631332, qq: 1830343958

透明导电薄膜具有高可见光透过率和低电阻率的特点，因此可以作为平面显示器和太阳能平面电极材料，也可用在节能方面。

随着半导体产业的迅猛发展，铟资源严重短缺、成本高得问题越来越**。目前，可替代ITO的材料是AZO、FTO、CZO、CTO等。FTO虽然性能上能达到要求，但在等离子体中定性差，原材料制备技术复杂、成本高；CZO、CTO都含有对环境不友好的Cd元素；而AZO透明导电薄膜的禁带宽度达到3.4V,本征吸收限为360nm，可以作为薄膜电池的窗口层材料，其宽带隙的特点可减少p，n型掺杂区对光的吸收，提高光能量的利用率。同时，AZO透明导电薄膜电阻率低，可见光透过率高，是良好的前透明层材料，与其他几种材料相比，AZO还具有等离子体稳定性高、制备技术简单、原材料便宜易得、无毒等特点。这些特点使得AZO薄膜在薄膜太阳能电池领域得到了广泛应用。目前，化学组成m（ZnO）:m(Al2O3)=98:2的AZO已经实现规模化应用。

随着透明导电薄膜的应用发展，AZO溅射靶材及其薄膜沉淀技术成为研究热点，但AZO靶材热压制备研究未见公开报导，有关AZO靶材原料粉体性能及靶材性能与薄膜性能的关系研究很少。因此，本实验以ZnO和Al2O3为原料，在不同温度下制备AZO靶材，并将其作为溅射源进行射频磁控镀膜测试，具有研究靶材的密度与孔径分布对薄膜光电性能的影响。

1 实验

采用ZnO和Al2O3粉为原料，质量比为98：2，球磨混合32h后于1000度煅烧制备出混合均匀的原料粉体在惰性气体保护气氛中热压制备AZO靶材。压力设定为18Mpa,热压温度为850度、950度、1050度、1150度，升温速率为20度/min，保温时间为30min。

2 结果与讨论

2.1 原料粉的成分与结构分析

经过球磨混合、煅烧处理后的原料粉成分分布和形貌如图1所示。由图1可以看出，混合原料粉中Al分布较均匀，无明显富集。根据面积平均法计算得：原料粉的平均粒径为80nm，属于纳米级。

原料粉体的结构如图二所示。原料粉XRD中ZnAl2O4尖晶石衍射峰的细节如图3所示。

2.2 靶材的密度与薄膜光电性能

热压是对置于限度形状的模具中松散粉末或粉末压坯加热的同时对其施加压力的烧结过程。随着温度的升高，原子的扩散能力增强，两个表面的原子就能越过颗粒间势垒而键和。

图4是热压温度对AZO靶材密度的影响。由图4可以看出，随着热压温度的不断升高，原子扩散能力增强，通过物质的传递，坯体总体积收缩，孔隙率迅速减小，靶材相对密度从51.7%升到94.79%。

AZ0靶材致密度对薄膜的沉积速率及其光电性能都有一定的影响。图5显示的是靶材密度与薄膜沉积速率的关系。靶材密度越高，孔隙率越小，薄膜的沉积速率越快。

图6是靶材密度、溅射功率与薄膜电阻率的关系图。在AZO薄膜中，一个Al原子替代一个Zn原子形成了一个正电中心和一个多余的价电子，这两者之间是弱束缚。另外，氧离子脱落晶格结合成氧气溢出并形成氧缺位，缺位电离出的电子容易被锌离子俘获，被俘获电子与锌离子之间也是弱束缚，这2种机制产生的电子很容易被激发到导带上形成载流子。所以薄膜中的载流子来源于氧缺位和替位掺杂，薄膜的电阻率主要取决于载流子的浓度和迁移率。

由图6可以看出，靶材的致密度越高，沉积薄膜电阻率越低。根据沉积速率测试结果，靶材密度越高，薄膜沉积速率越快。较高的沉积速率可以增加沉积薄膜的均匀性，同时由于晶粒生长快，薄膜内部的位错等缺陷减少，由此而引入的悬空键减少，复活的载流子亦减少，提高了薄膜中的载流子浓度，故而所得薄膜的电阻率较低。

研究资料表明，薄膜的透光率与溅射功率也有一定的关系。随着溅射功率增加，薄膜透光率下降。从图7可以看出，靶材密度越高，这种影响关系也越明显。

高密度靶材的表面沉积速率较快，尤其是在较高的功率下，膜层与基片的粘附能力及膜层的致密性都有所提高，薄膜晶体结构得到进一步优化，从而使导带上具有相当高的自由电子浓度，降低了薄膜电阻率。但是较高的载流子浓度将引起可见光和红外区电磁辐射的吸收，使薄膜在可见光范围内透光率下降。

图8是相对密度为94.79%的靶材在溅射功率为30W下的透光率曲线。图8中T代表平均透过率，D代表薄膜厚度。可以看出，该靶材不同沉积时间下的表面透光率均大于80%.相对密度为94.79%的靶材在衍射功率为30W下沉积20min所制备的表面的结构、外形和成分分布如图9-图11所示。

综上所述，相对密度为97.79%的靶材沉积20min所制备的表面平均透过率为85.5%,电阻率为3.14×10^-4Ω·cm，具有（002）择优取向，平均晶粒为27.3nm，在放大倍数为5000倍时线扫描成分分布均匀，满足表面太阳能对透明导电薄膜的要求。

2.2靶材孔径分布与薄膜光电性能

图12是2中原料热压靶材的孔径分布测试结果。由图12可以看出，煅烧处理后的原料粉热压制备的靶材孔径分布在151-349nm,分布范围高度集中，占气孔总体积的99.55。未经煅烧处理的原料粉热压制备的靶材孔径范围较宽，主要分布在151-1085nm，其中不同区间的气孔体积比较接近，没有明显的孔径集中。

在溅射功率30W下，将以上2种AZO靶材分别溅射40min制备薄膜。表2是薄膜光电性能测试结果由表2可以看出，平均孔径较大，孔径分布范围较宽的靶材，沉积薄膜电阻率较高，薄膜透光率变化不大。

2.3 耐溅镀测试

靶材的使用寿命是指靶材在一定的功率下连续稳定溅射沉积薄膜时间。靶材出现开裂、击穿、中毒等现象，就会严重影响沉积薄膜的质量，降低靶材的使用寿命。将不同密度的靶材靶材分别在功率150W连续溅射1h，溅射靶材的直径为70mm（功率密度为3.9W/cm2），结果如表3所示。

测试结果如表3所示，相对密度大于80%靶材连续溅射1h之后，表面平整无裂纹，使用寿命大于150W·h；密度低于80%的靶材，在150W功率下持续60min发生开裂，使用寿命小于150W·h。由此验证较低密度的靶材在长时间高功率溅射下较容易发生开裂。

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