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1、氧化锌薄膜光电性能探究［摘要］采用溶胶一凝胶法在ITO导电玻璃衬底上制备氧化锌(ZnO)薄膜，研究其结构、光学透过率和电学性能。AFM测试结果表明，ZnO薄膜晶粒尺寸随退火温度的提高而增大。薄膜的光学透过率曲线显示，在大于400nm的波段，ZnO的透过率比较高，而其禁带宽度约为3.25evo在相同的电压下，ZnO薄膜产生的电流大小随着退火温度的提高，先增强后减弱，在550°C时达到最大。［关键词］退火温度ZnO薄膜光学透过率ZnO材料是具有直接带隙的II-切族化合物半导体材料，其晶体具有三种结构：立方闪锌矿结构(ZincBlen
2、de).六边纤锌矿结构(Wurtzite)以及比较罕见的八面体岩盐结构(Rocksalt)o六边纤锌矿结构是自然界中稳定存在的ZnO晶体结构，其晶格常数a=0.324nm,c=0.519nm,室温下的禁带宽度约3.37eVoZnO在室温下具有高达60meV的激子结合能，光增益系数300cm-1,能有效地工作于室温及更高的温度［1］。ZnO材料在光电显示、压电器件、气敏传感器、透明导电薄膜、光发射器件中均有广泛的应用，并且其来源广泛,环保无毒，价格低廉，可以大规模生产，是现今研究的热点材料。ZnO材料的宽带隙和高激子结合能，使其在
3、光电领域有独特的优势。首先，宽带隙使ZnO在可见光波段(400〜800nm)有高达80%的光学透过率，掺杂A13+的ZnO薄膜，即ZnO：Al(ZAO),是一种具有优异光学特性和电学特性的透明导电薄膜［2］。ZnO材料高激子结合能使其在室温下的受激辐射能在较低阈值出现，是一种理想的紫外光发射材料［3］,其在应用方面的突出热点是制备激光器(LDs)和ZnO基发光二极管(LEDs)等光电器件［4］。其次，ZnO高熔点的物理特性(1975°C),使其具有很好的热化学稳定性。ZnO薄膜可在低于600°C下获得，有利于降低设备成本，抑制固
4、体外扩散，可大大减少高温制备条件下产生的缺陷，提高薄膜质量。再次，ZnO器件制备工艺可与硅平面集成电路工艺相容。第四,ZnO是至今为止II-VI族半导体材料中最硬的一种，可以避免像其它II-VI族材料在光发射器件应用中出现的增殖现象。因此，研究ZnO材料的光电性能对于探索新型的光电器件将会是很有意义的工作［5-9］。本实验在IT0导电玻璃衬底上制备了不同温度退火的ZnO薄膜，并研究其结构和光学透过率以及电学方面的特性。1实验过程实验采用溶胶一凝胶法在IT0导电玻璃衬底上制备了ZnO薄膜。在制备薄膜的过程中，溶液所用的起始原料是分
5、析纯的二水醋酸锌(Zn(CH3C00)2?2H20),溶剂为乙二醇甲瞇(CH30CH2CH20H)o配制ZnO前驱体溶液的过程为：首先将一定质量的二水醋酸锌溶于乙二醇甲瞇，后加入与二水醋酸锌等摩尔的乙醇胺(C2H7N0)作为稳定剂，搅拌加热至沸腾，接着在沸腾状态下继续搅拌30min,然后在6(TC的恒温水浴中搅拌lh后自然冷却至室温，并在室温下继续搅拌2h,最后得到澄清的前驱体溶液，其浓度为0.4mol/L0配制好的ZnO前驱体溶液旋转涂覆于IT0玻璃基片上，匀胶速度约2500rpm,时间为30s。每涂一层后都将湿膜放在加热台上
6、以300°C的温度热烤5min,以除去有机物。重复甩膜一烤胶的步骤5次，达到所需的薄膜厚度，最后将所得的ZnO薄膜放入扩散炉中进行退火处理。ZnO薄膜的退火温度分别为500°C,550°C,600°C和65(TC,并保温lh,然后随炉自然降温。为了测试ZnO薄膜的I-V曲线，需要在薄膜表面再镀上一层导电电极。进行I-V测试时，要求选用的电极与ZnO薄膜形成良好的接触，即欧姆接触[10]o本实验选用金属A1为导电电极。分别取不同温度退火的ZnO薄膜样品各一片，利用多源高真空镀膜设备在ZnO膜层上面通过掩膜板(mask)再镀上一层A
7、l作为电极。图1所示是镀Al电极切面示意图,共有四层，分别为A1电极、ZnO膜层、IT0膜层和衬底。通过直流稳定电源在ZnO薄膜上施加电压，测量不同电压下ZnO薄膜产生的电流。图1镀Al电极切面示意图实验对ZnO薄膜进行结构、光学透过率和电学性能的表征。薄膜的AFM测试采用Veeco公司生产的原子力显微镜NanoScopeIlla。光学透过率的测试采用日本Shimadzu公司生产的UV-3150型紫外可见分光光度计，测量范围从390nm〜800nmoI-V特性测试采用美国Keithley公司生产的2420型高压源表。2结果与分析
8、图2所示是退火温度分别为550°C和650°C时ZnO薄膜的AFM图。由图2可见，在550°C退火的ZnO薄膜样品表面平均粗糙度Ra=0.693nm,晶粒小，生长致密均匀、表面平整；在650°C退火的ZnO薄膜样品表面平均粗糙度Ra=2.03nm,薄膜表面洁净完
