● 摘要
具有HCP 结构的ZnO材料是一种禁带宽度为3.37 eV的直接带隙半导体，稳定性高、原料丰富、环境友好，有望取代铟掺杂氧化锡薄膜成为新一代透明导电薄膜应用于太阳能电池、平面显示器等众多光电子领域，特别是Ga 掺杂ZnO (GZO) 薄膜的制备与光电性能的研究得到了广泛关注。深入研究薄膜微观组织与电输运特性、透光性的相互关联性，对进一步提高薄膜的光电性能具有重要的科学意义与应用价值。本课题利用磁控溅射法制备GZO薄膜，通过对制备工艺、薄膜厚度以及热处理工艺的控制，研究了组织结构对性能的影响规律，揭示了微观组织与缺陷影响薄膜电性能的物理机制，在此基础上研究了M(Cu, Al) /GZO双层膜结构随温度的变化规律，阐明了M/GZO双层膜微观组织与电学、光学性能的内在关联性。研究结果表明，薄膜的组织结构对制备工艺有很强的依赖性。GZO薄膜中c轴晶格常数随溅射气压的增大逐渐降低，使薄膜中的应力降低；同时薄膜的c轴取向性提高。通过对薄膜的微观组织观察，发现在薄膜生长初期存在一个小晶粒区域，区域中的晶粒没有明显的晶体取向。薄膜中应力的降低使载流子浓度和迁移率同时有显著提高，极大的改善了薄膜的导电性能。另一方面，薄膜厚度的变化不仅影响其导电性能，而且显著改变了其电输运特性。在80-320 K范围内，厚度为100 nm或200 nm时，电阻率随着温度的升高而降低，表现出半导体导电特性，这是由于薄膜厚度较薄时，其中的缺陷密度较高，电子之间发生了弹性相干散射，且该散射随着温度的升高而减弱所致；随着薄膜厚度增加至400 nm，微观组织改善、缺陷密度降低，使电子的弱局域化作用减弱，薄膜的电输运特性开始出现金属半导体转变。GZO薄膜在可见光范围内透光率高于90 %；其禁带宽度随着溅射气压升高与薄膜厚度增加而增大，主要是由于薄膜载流子浓度增大，价带中的电子跃迁至导带时需要更高的能量所致。真空热处理对薄膜组织结构的影响研究发现，随着热处理温度的升高c轴晶格常数降低，同时GZO薄膜的c轴取向性增强，使相邻柱状晶的 (002) 面之间的夹角降低。GZO薄膜在可见光范围内透光率高于90 %，且随着热处理温度的升高透光率增加，其禁带宽度也随热处理温度升高而增大，研究发现这是Burstein–Moss效应与能带结构的重构共同作用的结果。针对热处理对薄膜导电特性的影响研究，揭示了不同热处理条件下的薄膜导电机制。较低温度热处理(≤ 300 ˚C) 后，薄膜的电导率与温度的一次方呈线性关系，薄膜的电输运特性主要取决于电子之间的非弹性散射；而较高温度热处理 (≥ 400 ˚C) 后，薄膜的电导率与T1/2呈线性关系，其电输运特性主要取决于电子与声子之间的非弹性散射；当热处理温度≥ 500 ˚C时，薄膜中电子局域化作用进一步减弱，且在一定温度下与声子散射相当，由此出现了半导体导电特性向金属的转变。针对M/GZO双层膜的研究结果表明，当金属层厚度为7 nm时，金属层中声子散射对电阻率的影响占主导作用，双层膜电阻率随着温度升高线性增加；当厚度