鐘志有,田雨,陸軸

(中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，智能無(wú)線通信湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074)

作為一種重要的寬帶隙半導(dǎo)體材料，摻錫氧化銦(ITO)透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜具有較高透光性、較低電阻率、易于刻蝕等優(yōu)點(diǎn)而被深入研究并廣泛應(yīng)用[1-6]，但是它存在價(jià)格昂貴、有毒性、穩(wěn)定性能不理想等不足之處，因此尋找ITO薄膜的替代品是當(dāng)今TCO薄膜研究的重要課題[7-9].氧化鋅(ZnO)作為一種儲(chǔ)量豐富的半導(dǎo)體材料，價(jià)格低廉且健康環(huán)保，具有較好的透光性和導(dǎo)電性，特別是通過(guò)摻雜可以克服純ZnO薄膜存在的不足而同時(shí)改善其電學(xué)和光學(xué)性能，目前常用的摻雜元素包括Ga、Al、B、In、Y等第III族元素和Si、Sn、Ti、Zr等第IV元素[10-17].文獻(xiàn)[18-20]采用磁控濺射工藝在玻璃襯底上制備了低阻高透、光電綜合性能好的摻釔ZnO薄膜，而據(jù)文獻(xiàn)[21-23]報(bào)道，磁控濺射法制備的摻鎂ZnO薄膜，其光學(xué)性質(zhì)明顯改善、禁帶寬度增大.ZnO基TCO薄膜的制備方法主要有直流濺射、射頻濺射、離子束濺射、溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積法和化學(xué)氣相沉積法和原子層沉積法，其中射頻磁控濺射技術(shù)不僅具有沉積速率快、簡(jiǎn)單可控的特點(diǎn)，而且還具有沉積膜表面平整、結(jié)構(gòu)致密、與基片結(jié)合牢固等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用最為廣泛[24-27].為此，本文以石英玻璃作為基片，采用釔和鎂共摻雜的ZnO(ZnO:Y-Mg)陶瓷靶材作為濺射源，利用射頻磁控濺射技術(shù)制備ZnO:Y-Mg半導(dǎo)體薄膜，基于紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)光譜擬合方法研究沉積時(shí)間對(duì)ZnO:Y-Mg薄膜光學(xué)常數(shù)和介電性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)方法

利用MS-560C型超高真空磁控濺射與離子束濺射復(fù)合鍍膜系統(tǒng)(沈陽(yáng)科友真空設(shè)備公司)制備ZnO:Y-Mg薄膜樣品.實(shí)驗(yàn)靶材為直徑50 mm、厚度4 mm的陶瓷靶，它由Y2O3(2 wt.%)、MgO(2 wt.%)和 ZnO(96 wt.%)三者均勻混合后經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)而成.工作氣體為高純氬氣(99.999%)，調(diào)節(jié)氬氣流量使濺射時(shí)的工作氣壓穩(wěn)定在2.5 Pa左右.本實(shí)驗(yàn)在保持其它工藝參數(shù)不變的情況下僅改變?yōu)R射時(shí)間，分別制備出ZnO:Y-Mg薄膜樣品，以研究濺射時(shí)間對(duì)ZnO:Y-Mg薄膜光學(xué)常數(shù)和介電性能的影響.

ZnO:Y-Mg薄膜樣品的光學(xué)透過(guò)率通過(guò)TU-1901型雙光束紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器公司)測(cè)量，測(cè)試時(shí)設(shè)置以空氣作為參比、波長(zhǎng)掃描范圍為300～800 nm、掃描步長(zhǎng)為1 nm。所有測(cè)試都是在室溫和大氣條件下完成.

表1 ZnO:Y-Mg薄膜樣品的制備工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

圖1為不同濺射時(shí)間時(shí)沉積在石英玻璃基片上ZnO:Y-Mg薄膜的透過(guò)率(T)隨波長(zhǎng)(λ)而變化的關(guān)系曲線，其中(a)、(b)、(c)和(d)表示濺射時(shí)間為10 min、14 min、18 min和22 min時(shí)所制備的ZnO:Y-Mg薄膜樣品，分別用字母S1、S2、S3和S4表示.從圖1可以看出，在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，所有ZnO:Y-Mg樣品具有良好的透光性能.對(duì)于沉積在石英玻璃基片上的ZnO:Y-Mg樣品S1、S2、S3和S4，其可見(jiàn)光區(qū)平均透過(guò)率(含玻璃基片)分別為82.71%、82.65%、82.53%和82.49%.如果扣除掉玻璃基片的影響，那么ZnO:Y-Mg薄膜在可見(jiàn)光區(qū)的平均透過(guò)率分別為91.90%、91.83%、91.71%和91.66%.可見(jiàn)，ZnO:Y-Mg薄膜的透過(guò)率隨著濺射時(shí)間的增加而減小.這是因?yàn)闉R射時(shí)間增加時(shí)，沉積薄膜的厚度增大，從而導(dǎo)致光吸收增加、光透射減小.

圖1 ZnO:Y-Mg薄膜的透過(guò)率曲線

圖2為沉積在石英玻璃基片上ZnO:Y-Mg薄膜的光譜擬合結(jié)果(Tc)與測(cè)試數(shù)據(jù)Te的比較曲線.通過(guò)對(duì)比薄膜的擬合透過(guò)率曲線Tc和測(cè)試透過(guò)率曲線Te，可以發(fā)現(xiàn)所有樣品的Tc曲線和Te曲線都吻合得非常好，這就說(shuō)明光譜擬合法的結(jié)果是準(zhǔn)確有效的.

圖2 ZnO:Y-Mg薄膜透射光譜擬合曲線

圖3和圖4分別為不同濺射時(shí)間時(shí)ZnO:Y-Mg薄膜折射率(n)和消光系數(shù)(k)隨波長(zhǎng)λ而變化的關(guān)系曲線.從圖中看出，從紫外光區(qū)到可見(jiàn)光范圍內(nèi)，ZnO:Y-Mg薄膜的折射率n變化范圍為1.95～2.41，波長(zhǎng)λ增加時(shí)，折射率n逐漸減小，其變化率dn/d< 0，并且dn/d的數(shù)值隨波長(zhǎng)λ的增加從減小，呈現(xiàn)出正常色散關(guān)系[28,29].另外，消光系數(shù)k在可見(jiàn)光區(qū)域值很小，但是當(dāng)λ小于400 nm時(shí)k值急劇增加，說(shuō)明ZnO:Y-Mg薄膜在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收系數(shù)明顯增大，存在強(qiáng)烈的紫外吸收.當(dāng)=500 nm時(shí)，薄膜樣品S1、S2、S3和S4的折射率n分別為2.04、2.11、2.02和2.10，對(duì)應(yīng)的消光系數(shù)k分別3.73×10-6、2.59×10-6、1.27×10-5和3.87×10-6.可見(jiàn)濺射時(shí)間對(duì)ZnO:Y-Mg薄膜的光學(xué)常數(shù)具有一定程度的影響.

圖3 ZnO:Y-Mg薄膜折射率隨波長(zhǎng)的變化曲線

圖4 ZnO:Y-Mg薄膜消光系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化曲線

根據(jù)Sellmeier色散模型[30]，ZnO:Y-Mg薄膜樣品的折射率n與波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系可以表示為：

(1)

(2)

式(2)中，c為光速(c=3.0×108m/s)，h為普朗克常量(h=6.63×10-34Js)，e為電子電量(e=1.6×10-19C).

圖5為不同濺射時(shí)間時(shí)ZnO:Y-Mg薄膜的(n2-1)-1-λ-2變化關(guān)系曲線，由圖可知，所有樣品的數(shù)據(jù)都可以根據(jù)公式(1)擬合成一條直線段，這就說(shuō)明所制備的薄膜樣品的折射率色散行為均遵循Sellmeier色散模型，其振子的平均強(qiáng)度So和振子的平均位置λo可以從直線斜率和縱軸截距中得到.本實(shí)驗(yàn)中所得ZnO:Y-Mg樣品的平均強(qiáng)度So變化范圍為6.04×1013～7.91×1013m-2，對(duì)應(yīng)的平均位置λo變化范圍為183.11～214.05 nm.由公式(2)可以得到振子的平均能量Eo的變化范圍為5.79～6.77 eV.這些結(jié)果與文獻(xiàn)[31,32]的報(bào)道相符合.

圖5 ZnO:Y-Mg薄膜的(n2-1)-1 -λ-2關(guān)系曲線

復(fù)介電常數(shù)(ε=εr+iεi)是高效光學(xué)電子器件設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，其中實(shí)部εr和虛部εi與折射率n、消光系數(shù)k之間的關(guān)系如下[33]：

εr=n2-k2,

(3)

εi=2nk.

(4)

圖6和圖7分別為不同濺射時(shí)間時(shí)ZnO:Y-Mg薄膜復(fù)介電常數(shù)實(shí)部εr和虛部εi隨波長(zhǎng)λ而變化的關(guān)系曲線.從圖6看到，在可見(jiàn)光區(qū)域εr的變化幅度較小，而在紫外區(qū)域εr則隨著λ減小而急劇增加，與樣品的紫外吸收邊對(duì)應(yīng).由圖7可見(jiàn)，在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)εi隨波長(zhǎng)λ的變化非常小，并且當(dāng)波長(zhǎng)λ大于500 nm時(shí)εi的值幾乎為0；但是在紫外區(qū)域εi的值隨波長(zhǎng)λ的減小而迅速增加.當(dāng)=400 nm時(shí)，薄膜樣品S1、S2、S3和S4的εr值分別為4.67、5.01、4.48和4.99，對(duì)應(yīng)的εi的值分別1.45×10-2、1.41×10-2、2.59×10-2和1.81×10-2.可見(jiàn)濺射時(shí)間對(duì)ZnO:Y-Mg薄膜的介電常數(shù)具有一定程度的影響.

圖6 ZnO:Y-Mg薄膜介電常數(shù)實(shí)部隨波長(zhǎng)的變化曲線

圖7 ZnO:Y-Mg薄膜介電常數(shù)虛部隨波長(zhǎng)的變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

以ZnO:Y-Mg陶瓷靶材作為濺射源、石英玻璃為基片，利用射頻磁控濺射工藝制備了ZnO:Y-Mg薄膜樣品，通過(guò)紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量了薄膜樣品的透過(guò)率，采用光譜擬合方法確定了ZnO:Y-Mg薄膜樣品的折射率、消光系數(shù)和介電常數(shù)，研究了濺射時(shí)間對(duì)ZnO:Y-Mg薄膜光學(xué)和介電性能的影響.結(jié)果表明，所有ZnO:Y-Mg薄膜在可見(jiàn)光區(qū)均具有良好的透光性能，其平均透過(guò)率大于91%，并隨濺射時(shí)間增加而減小.另外，濺射時(shí)間也對(duì)薄膜樣品的光學(xué)常數(shù)和介電常數(shù)具有不同程度的影響，所有樣品在可見(jiàn)光區(qū)的折射率均隨波長(zhǎng)增加而減小，呈現(xiàn)出正常的色散性質(zhì)，其變化關(guān)系遵從Sellmeier色散模型.