磁控溅射低温沉积ITO薄膜及其光电特性研究

第 6卷第 4期 2009年 8月 Vol．6 No．4 August 2009 0 引言 氧化铟锡(ITO)透明导电膜具有带隙宽(3.5- 4.3eV)、可见光透射率高 (＞80%)、电阻率低 (＜10-3 Ω·cm)等优异的光电性能和紫外线吸收率高、微波 衰减性强、膜层耐磨、抗酸碱、耐腐蚀、便于蚀刻等 特点，被广泛应用于电子工业、工程材料、建筑行 业、机电行业、轻工行业等诸多领域[1]。ITO 薄膜的 光电性能主要取决于它的结构和化学配比[2]，其制 备条件直接影响薄膜的结构和性质。 收稿日期：2008-07-26 * 基金项目：北京市教委科技发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 面上项目 （KM200610017009） 磁控溅射低温沉积 ITO薄膜 及其光电特性研究 * 江 伟， 武光明， 王 怡， 邢光建， 韩 彬 （北京石油化工学院， 北京 102617） 摘 要：采用直流反应磁控溅射法低温沉积 ITO薄膜，用 XRD、SEM和 UV-Vis分别表征 ITO薄 膜的晶体结构、表面形貌及其紫外-可见光吸收谱，研究了氧分压、溅射功率及薄膜厚度等工艺参 数对薄膜光电性能的影响，结果表明，氧分压过大时，ITO薄膜中有大量的位错和缺陷，使薄膜的 电阻率变大，导电性变差；氧分压过小时，薄膜中将有大量氧空位产生，导致晶格变形，使电阻率增 加。随着溅射功率增大，在相同时间内薄膜厚度增加，方块电阻减小，薄膜电阻率降低。随着薄膜厚 度增加，制备的薄膜晶体结构相对完整，载流子浓度和迁移率逐渐增大，薄膜电阻率变小，进而对 样品的光电性能产生明显影响。 关键词：直流磁控溅射；ITO薄膜；低温；光响应 Research on Photoelectric Characteristics of ITO Film Prepared by DC Magnetron Sputtering at low Temperature JIANG Wei， WU Guang-ming, WANG Yi, XING Guang-jian, HAN Bin （Beijing Institute of Petrochemical and Technology, Beijing 102617, China） Abstract: ITO thin film were prepared by DC magnetron sputtering at low temperature, and properties of the films were characterized by XRD, XPS, SEM and UV-Vis. The influences of oxygen partial pressure, sputtering power and thickness on the electrical and optical properties of ITO thin films were investigated. The results show that the resistivities of ITO thin films would be increased and the corresponding conductivities were reduced with increasing or decreasing of oxygen partial pressure. And the square resistance of ITO thin film would be reduced and film resistivities were decreased with increasing sputtering power. when increasing the thickness of film, the crystallization degrees of the ITO thin film became better, carrier concentration and mobility increased gradually, and the corresponding film resistivities decreased. The re－ sults would affect the ITO film characteristics significantly. Keywords: DC magnetron sputtering；ITO thin film；low temperature；photoelectric characteristics 中图分类号：O484 文献标识码：A 文章编号：1812-1918（2009）04-0038-04 纳米加工工艺 Nano-processing Technique 38 纳 米 科 技 Nanoscience ＆ Nanotechnology No．4 August 2009 第 6卷第 4期 2009年 8月 图 3 ITO薄膜的 AFM图 ITO膜的制备方法较多，主要有磁控溅射法、 化学气相沉积法、电子束蒸发法、喷雾热解法和溶 胶-凝胶法等[3]~[7]。目前应用比较广泛的直流磁控 溅射法具有可控性和易于获得大面积均匀薄膜等 特点。根据溅射时基底温度的高低，分为高温溅射 和低温溅射。近几年，液晶显示(LCD)、等离子体显 示 (PDP)、场发射显示 (FED) 和有机电致发光 (OLED)等平板显示器蓬勃兴起，在高透过率、低电 阻率和大面积均匀性等光电性能上对 ITO薄膜提 出了更高的要求，特别是用作 OLED 和其它有机 微显示器件的 ITO 是在有机层上直接沉积的，耐 高温性能差，所以研究低温条件下制备 ITO膜就 显得尤为重要。本文用直流磁控溅射法在室温下 制备了 ITO薄膜， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 其光电性能以及影响因素。 1 实验 1.1 ITO薄膜的制备 实验采用沈阳科仪 JGP型三靶共溅射高真空 磁控溅射装置，通过直流反应磁控溅射方法，在玻 璃衬底上制备 ITO 薄膜。实验以 ITO 陶瓷块体 (In2O3:SnO2质量比为 19:1，纯度为 99.9%)为靶材， 靶面直径为 60 mm、靶厚为 5 mm。溅射沉积时采 用 Ar气为溅射气体、O2气为反应气体。实验中沉 积的压强为 1Pa，衬底温度为室温，薄膜沉积时间 为 30 min、反应氧分压比为 5%-20%、溅射功率为 100 W-200 W。每次溅射之前都预先在 Ar气中预 溅射 5 min左右，以除去靶表面氧化物。 1.2 ITO薄膜的表征 薄膜的厚度用 AMBIOS XP-1型台阶仪测试； 晶体结构由 SHIMADZU XRD-7000型 X射线衍射 仪测试；ITO薄膜的表面微观形貌与粗糙度分别由 JSM-6330E 型场发射扫描电镜及 CSPM-4000 型 扫描探针观测；紫外吸收光谱用 UNICO UV-2100 型紫外可见光分光光度计测试；ITO薄膜的电特性 由 SDY-4型四探针电阻仪检测样品方电阻。 2 结果与讨论 2.1 ITO薄膜晶体结构 图 1为氧分压 10%、溅射功率 120 W时 ITO 薄膜的 XRD图谱。从图可以看出，薄膜出现(211)、 (222)、(400)和(440)晶向的衍射峰，且衍射峰很明 显，所制备薄膜为单一立方 In2O3晶体结构，即立 方铁锰矿多晶结构，并且在(222)晶面呈择优取向。 2.2 ITO薄膜的表面形貌 图 2、图 3分别为氧分压 10%、溅射功率 120 W时 ITO薄膜的 SEM与 AFM表面形貌图。图中 可以看出，薄膜表面颗粒大小一致、分布均匀紧 图 1 ITO薄膜的 XRD图谱 图 2 ITO薄膜的 SEM图 39 第 6卷第 4期 2009年 8月 Vol．6 No．4 August 2009 密、结晶度很好，ITO晶粒平均粒晶大小约为 50 nm，其表面粗糙度为 2.85 nm。 2.3 ITO薄膜的电学性质 2.3.1 氧分压对 ITO薄膜光电性能的影响 图 4为不同氧分压对 ITO薄膜的光电性能影 响。薄膜在可见光范围内具有较高的透过性能，薄 膜平均透过率为 80％左右。ITO薄膜属于 n型半 导体，导电率决定于载流子浓度，而载流子浓度主 要由氧空位和锡掺杂浓度所决定，在薄膜制备过 程中氧分压高低会影响 ITO薄膜的导电率[8]。 当氧分压较大(>15％)时，ITO膜的透过率显著 增大，因为 In，Sn 原子能充分氧化生成透明氧化 物 In2O3和 SnO2，但是，太大的氧流量又会使 Sn形 成高价不透明氧化物 Sn3O4，生成的 In2O3和 SnO2 会被大量的氧负离子轰击生成低价的不透明的氧 化物 InO和 SnO，导致透过率变差[9]-[11]。由于 InO 和 SnO氧化物薄膜结晶较差，导致薄膜的微观结 构变得更为无序，薄膜中有大量的位错和缺陷，从 而使薄膜的电阻率很大，导电性变差；当氧分压减 少时，ITO薄膜中将有大量氧空位产生，太多的氧 空位会导致晶格变形，使电阻率增加，薄膜透过率 也会有所降低。在室温沉积ITO薄膜中，无论衬底 或薄膜在生长过程中都会大量吸附氧原子，这是 导致低温沉积薄膜电阻率较高的重要原因。 2.3.2 溅射功率对 ITO薄膜光电性能的影响[12]-[18] 图 5为不同溅射功率对 ITO薄膜的光电性能 的影响。随着溅射功率的增大，在相同的时间内薄 膜的厚度就会增加，方块电阻减小，薄膜的电阻率 降低。溅射功率变大时，溅射出的高能氧负等离子 体轰击薄膜导致铟锡化合物分解生成金属，透过 率稍有降低。 2.3.3 溅射时间对 ITO薄膜的影响 图 6为 ITO膜电阻率和霍耳迁移率与厚度的 关系。ITO膜的电阻率是通过膜的方块电阻 R□和 厚度 d，根据公式 ρ=R□·d计算出来的。载流子浓 度和迁移率是影响薄膜电学性能的两个重要因 素。实验表明，载流子浓度和霍耳迁移率随厚度变 化的趋势趋于一致。随着薄膜厚度的增加，制备的 薄膜晶体结构相对完整，载流子浓度和迁移率逐 渐增大，薄膜电阻率变小；当薄膜厚度较小时，由 于晶格结构完整性较差，缺陷较多，对载流子的散 射和陷阱捕获作用增强，使载流子浓度和迁移率 降低，薄膜的电阻率增大。 3 结语 采用直流磁控溅射法在低温下制备 ITO透明 导电薄膜，用 XPS、SEM、UV-Vis和四探针等分别 表征薄膜的晶体结构、表面形貌、可见光吸收光谱 及其电学特性，并分析研究了氧分压、溅射功率及 薄膜厚度等工艺参数对薄膜光电性能的影响。氧 图 4 ITO薄膜的透过率和电阻率随氧分压的变化关系图 图 5 ITO 薄膜的透过率和电阻率随溅射功率的变化关系 图 6 ITO薄膜的电阻率和载流子迁移率随厚度的变化 纳米加工工艺 Nano-processing Technique 40 纳 米 科 技 Nanoscience ＆ Nanotechnology No．4 August 2009 第 6卷第 4期 2009年 8月 [14] Pan Z W,Dai Z R,Ma C,et al.Molten gallium as a catalyst for the large -scale growth of highly aligned silica nanowires[J]. 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