● 摘要
透明导电氧化物（TCO）薄膜由于具有较大的禁带宽度和较好的导电性能，无论是在红外、可见、紫外光区都具有广阔的应用前景，目前已在太阳能电池、平面液晶显示器和热反射镜等很多领域得到广泛的应用。不同掺杂的ZnO薄膜的制备及光电性能得到了广泛关注，进一步弄清其光电性能的物理机制从而进一步降低电阻率、提高透光率，对于实现大规模工业生产具有重要的研究意义。本课题利用磁控溅射法制备Ga掺杂ZnO透明导电薄膜(GZO)，研究沉积速率、膜厚、靶基距、气压以及掺杂含量等主要工艺因素对其组织结构与性能的影响规律。在此基础上，进一步探讨了影响光电性能的物理机制。研究结果表明，溅射时间、靶基距以及掺杂含量等制备工艺参数都能够对GZO薄膜的性能产生较大影响，而通过进一步的组织结构分析，发现薄膜的组织结构在很大程度上受到沉积工艺的影响，从而使薄膜性能发生变化。当薄膜生长方式基本相同时，薄膜性能在很大程度上受薄膜厚度的影响。并且其电性能的改善更多地依赖于霍尔迁移率的提升，在400 nm左右薄膜的性能达到最佳，电阻率达到1.7×10-3 Ω•cm，而透光率均在90 %以上。迁移率随薄膜厚度变化较快，表明晶粒内缺陷以及表面、界面吸附氧的库仑散射对其影响较大，而载流子浓度较高时（>1020 cm-3），晶界散射对其影响不大。另一方面，载流子浓度随晶体结构的变化相对平稳，这是薄膜的生长方式导致薄膜内缺陷基本相同的结果。此外，薄膜的光学带隙会随其厚度增加而展宽，这可能是电子散射以及晶体结构的变化导致。此外，通过改变气压和流量得到厚度相对应的GZO薄膜。研究发现，气压能够强烈改变薄膜的生长方式，由于生长方式不同，薄膜的厚度不再是影响性能的决定性因素。霍尔迁移率在6 Pa时达到最大值，这是垂直生长向侧向生长过渡的结果；由于快速垂直生长导致晶界上生成大量陷阱态，载流子浓度随气压降低下降明显。尽管低气压下生长的薄膜具有强ZnO（002）织构，但其电学性能却较差，说明（002）织构与性能之间无必然关系。薄膜的光学带隙随载流子浓度增加而展宽，这是Burstain-Moss效应引起的。流量对GZO薄膜性能的影响，我们发现高流量下沉积的薄膜有更好的光电性能，这是气体分子与溅射粒子的碰撞方式不同，导致其生长方式不同引起的。最后，在相同气压下生长了一系列不同掺杂含量的GZO薄膜(2 wt.%，3.3 wt.%)。研究发现不同掺杂含量很大程度地影响载流子浓度和霍尔迁移率，轻掺杂时，霍尔迁移率高、载流子浓度小；从电阻率来看，薄膜较薄时，轻掺杂得到的GZO薄膜电阻率低，而薄膜在300 nm以上时，不同掺杂浓度得到的电阻率基本相同，并且，轻掺杂得到的GZO薄膜较为稳定。