磁控溅射法制备氮掺杂二氧化锡薄膜及其性能评价

• 作 者: 丁啸雄
• 机 构: 东南大学
• 出 处: 东南大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 磁控溅射法 制备工艺 氮掺杂二氧化锡薄膜 霍尔测试系统 光学性能

二氧化锡薄膜具有透明导电的特性，因而被制成透明电极而广泛应用于平板显示器和太阳能电池中。研究表明，经掺杂的薄膜具有更优异的光电性能和稳定性能，然而传统的掺杂元素Sb和F较为昂贵且有毒性，因此，掺氮将有望解决上述问题。　　
本文采用射频磁控溅射法制各了氮掺杂二氧化锡(SnO2:N)薄膜，从生长控制、成分控制和退火控制三个方面，利用SEM、EDX、XRD、分光光度计、四探针测试仪和霍尔测试系统，研究了沉积时间、衬底温度、氧分压和退火工艺对SnO2:N薄膜形貌、成分、结构以及光电性能的影响规律。　　
生长控制方面，通过沉积过程中调节沉积时间和衬底温度来实现，研究结果表明:较长的沉积时间使得薄膜的结晶度提高，微晶尺寸增大。沉积时间增加，薄膜的紫外吸收边红移。较长的沉积时间可使薄膜的电阻率略微下降。较高的衬底温度也有助于薄膜结晶度的提高。光学带隙随着衬底温度的升高先减小后增大。随着衬底温度的升高，薄膜的电阻率呈现指数级下降，低氧分压时下降到1.2×10-3Ω·cm，高氧分压时下降到2.2×10-2Ω·cm。　　
成分控制方面，通过沉积过程中调节氧分压来实现，研究结果表明:低氧分压时，薄膜表面无可分辨的细节，氧分压增加后，薄膜表面出现颗粒状的可分辨形貌。随着氧分压的升高，薄膜的生长方向从SnO2金红石结构的(101)转向(110)和(200)方向。低氧分压时薄膜在可见光的平均透过率较低，为55％左右，随着氧分压的升高，透过率上升到90％以上并达到饱和，同时薄膜的吸收边蓝移，光学带隙逐渐从2.8 eV增大到4.0 eV。随着氧分压的升高，载流子浓度和载流子迁移率均有所下降，薄膜的电阻率从10-2Ω·Cm升高到10-1Ω·Cm数量级。　　
退火控制方面，通过沉积结束后调节退火工艺来实现，研究结果表明:在退火温度从100℃升至300℃的过程中，薄膜的结晶度、晶粒取向均没有明显的变化，薄膜的光学性能变化也不大，但电阻率随退火温度的升高而下降。在氧化气氛中500℃以上退火可以使薄膜氧化，薄膜从非晶态向多晶态转变，可见光平均透过率大幅提高到90％左右，紫外吸收边蓝移至350nm附近，电阻率升高至10-1Ω·cm数量级。随着退火温度进一步升高至700℃，透过率和吸收边保持不变，电阻率下降至10-2Ω·cm数量级。