ITO透明导电薄膜制备工艺及机理的研究

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氧化铟锡(Indium Tin Oxide简称ITO)薄膜材料是一种重掺杂、高简并的n型半导体材料,具有较宽的能隙(E=3.5-4.3eV)和复杂的立方铁锰矿型(即In203结构,[100]方向是大多数明显取向)结构的多晶体。ITO薄膜不仅具有低电阻率(1×10-4Ω.cm)、高可见光透射率(≥90%)、高红外反射率(≥70%)、高紫外吸收率(≥85%)等优异的光电性能,而且还具有高硬度、耐磨、耐化学腐蚀性以及良好的加工性能,因此,从20世纪80年代工业化生产以来,它在LED芯片、太阳能电池、薄膜晶体管(TFT)、电色层窗口、平板显示器以及抗静电涂层等技术领域有着十分广泛的应用,并且充当着十分重要的角色。随着半导体LED照明产业的迅速兴起,具有高亮度、高稳定性的LED芯片得到越来越多的关注。但是,LED半导体器件中存在的问题也严重制约着它的发展,其中,最严重的就是电流拥堵效应和金属半导体之间的肖特基势垒问题。然而,ITO薄膜以其优异的光电性能充当LED芯片中的电流拓展层,有效的解决了肖特基势垒和电流拥堵效应,对延长LED的寿命、增强LED芯片的稳定性和提高芯片亮度都起到至关重要的作用。本文采用电子束蒸镀技术研究了制备过程中各参数对ITO薄膜光电性能的影响。本文主要完成以下几个方面的内容:1、了解怎样利用蒸镀手段制备光电性能优异的ITO透明导电薄膜:2、充分利用测试手段对所制备的薄膜进行光学和电学方面的测试。这些手段包括:利用XRD分析薄膜的相结构,分析薄膜的组成成分和晶体结构;利用SEM观测薄膜表面形貌和断层的显微结构,分析薄膜的生长机理:利用Hall测试仪测量薄膜的电学性能,研究退火温度与退火时间和薄膜电导率、载流子浓度和电子迁移率之间的关系;利用紫外分光光度计测量薄膜的透射率;利用四探针仪测量薄膜方阻等。3、通过改变蒸镀过程中的实验条件,分析并找到制备ITO薄膜的最佳工艺参数。探究了在薄膜生长过程当中,通过改变不同的工艺参数和生长条件(例如:反应时的氧气流量、蒸镀速率、薄膜厚度,以及后期的热处理温度和热处理时间等),从而改变ITO薄膜的光学和电学性能。通过大量试验和后期对数据的处理,研究结果表明,电导率随氧气流量的上升,先增加后减小,透射率随氧流量的改变并没有发生较大变化:电导率随退火温度的上升先升高后下降,载流子浓度随退火温度的升高而上升,但超过520℃之后就趋于稳定,迁移率随退火温度的上升先升高后下降,透射率随退火温度变化不大,但透射谱中出现微小的Burstein移动;由实验结果可知,在氧气流量为2.2sccm,腔体温度300℃,镀率为0.15nm/s,在520℃下退火15min时,ITO薄膜的光电性能最佳,,薄膜方阻为6Ω/□;可见光区(400-700nm)平均透射率为94%;电导率为7.314×103(1/Ω cmm)。
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