论文部分内容阅读
氧化铟锡（ITO）薄膜，是目前在工业界被广泛应用的透明导电材料；但铟对环境有污染，并且铟资源相对稀缺。掺杂的氧化锌类薄膜，具有较优良的光电性能、禁带宽(3.30eV左右)、无毒性和价格低廉等潜在优势。其中，镓掺杂的氧化锌（GZO）薄膜，具有抗氧化性强，晶格畸变小，掺杂效率高等优点，而被认为是ITO透明导电膜的理想替代材料之一。如何进一步降低GZO薄膜的制备成本，提高其光电综合性能，拓宽其应用领域，显得尤为必要。不同于常规的镓掺杂的氧化锌（Ga:ZnO）靶材，本文提出以Zn金属和Ga2O3陶瓷为靶材，采用双靶反应共溅法制备了GZO透明导电薄膜；再通过退火，以进一步提升其光电综合性能；并将优化制备后的GZO透明导电薄膜作为LED器件的电流扩散层。主要研究了双靶反应共溅工艺参数对GZO薄膜结构的影响；掺杂和退火对GZO结构及其光电特性的影响；GZO薄膜厚度对LED器件的电流-电压特性曲线及其电致发光强度的影响。溅射GZO薄膜及随后退火的试验表明，随着衬底温度的升高，GZO薄膜的结晶取向性变好，晶粒增大；而随着溅射气压和氧氩比的增大，GZO薄膜结晶质量存在最佳值。固定Ga2O3靶材的溅射功率（130W），发现Zn靶的溅射功率对GZO薄膜的掺杂有较大影响。优化后的工艺参数为：衬底温度500℃，溅射压强为1Pa，氧氩比为4:20，Ga2O3靶材功率为130W，Zn靶溅射功率为150W；此时制备出的GZO薄膜，霍尔效应和紫外－可见光透射光谱法测试其最低电阻率为2.43×10-4Ω·cm，可见光区域平均透过率达80.3%。此外，GZO薄膜在95%氮气和5%氢气的混合气氛中退火后，可显著改善其晶体结构。以GaN外延片和蓝宝石为衬底，对其上制备的不同厚度GZO透明导电薄膜的测试表明，随着薄膜厚度的增加，其载流子迁移率增加，电阻率显著下降；但可见光波段的透光率也呈现下降的趋势。当GZO薄膜厚度为650nm时，电阻率仅为1.96×10-4Ω·cm，同时光学透过率超过80%。将GZO透明导电薄膜作为LED电流扩散层的试验表明，厚度为170~720nm的GZO薄膜与外延片GaN薄膜的界面均为欧姆接触，相应的LED芯片都可被点亮。电致发光强度的测试表明，当GZO薄膜厚度为170nm时，以其为电流扩散层的LED器件发光强度最强。