F掺杂SnO2透明导电薄膜微结构及性能研究[1]

通过实验测量常压热分解CVD工艺制备的F掺杂sn 薄膜的方块电阻、膜厚、形貌、微结构、中远红外反射率等性质,详细研究了基板温度对SnO2薄膜微结构的影响和微结构与薄膜电学、光学性能之间的关系。研究发现,将基板温度从375℃提高到525℃以上,薄膜结晶程度大大提高,薄膜厚度从25nm提高到近300nm,方块电阻下降了两个数量级,中远红外的反射率达到了85%以上

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第2 5卷

第2期

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VO . 5. No. 12 2Ap .. 2 0 r 04

20 0 4年 4月

A( r ENERGI 。LARI NI v A AF S S SI CA

文章编号：0 5— 9 (0 4 20 5— 240 6 20 )0—12 5 0 0

F掺杂 S O2明导电薄膜微结构及性能研究 n透莫建良，陈华2 ,曹涯雁2,刘起英2, 汪建勋2,翁文剑，韩高荣 ( .浙江大学硅材料国家重点实验室，材料科学与工程学系，杭州 302; 1 10 7 2 .浙江大学蓝星新材料技术有限公司，杭州 3 02 ) 107

摘

要：通过实验测量常压热分解 C D工艺制备的 F V掺杂 s 薄膜的方块电阻、膜厚、形貌、微结构、中远红外反 n

射率等性质，详细研究了基板温度对 S O薄膜微结构的影响和微结构与薄膜电学、光学性能之间的关系。研究发现， n2 将基板温度从 35 7℃提高到 55 2℃以上，薄膜结晶程度大大提高，薄膜厚度从 2n 5 m提高到近 3 0m,方块电阻下降了 0n两个数量级，中远红外的反射率达到了 8%以上。 5 关键词：C D;F掺杂 s O薄膜；微结构；性能 V n2中图分类号：T 1 M6 5文献标识码：A

O引吾 S 0薄膜理论上是一种绝缘薄膜，而实际制 n,备的 S%薄膜由于存在晶格不完整及氧空位导致 n的非化学计量，在禁带内形成施主能级，向导带提供 l~l c 0度的电子[,使得 S O薄膜 0 0 m一浓 n2实际为 n型半导体。在 S%中掺入 F、S或 P等一 n b

备，实验用的先驱体均用鼓泡器进行气化，其中 MB C用空气作载气在 1 0 T 6℃时气化，T A用氮气 F作载气在 2℃时气化，外加少量水蒸汽作为催化 0

剂，三股气流在空气加热器中混和加热到 1 0 8℃后送入反应器。反应器温度维持在 10,反应器下 8℃

玻璃基板的温度根据实验要求从 3 5 0￣等。 7~60 C不 实验中混和反应气体的 S、F原子比例为 2 5 1 n .:。为防止玻璃中的 N、K a碱金属离子扩散进入 S 膜层，影响薄膜的电、光性能，在玻璃表面 n用溅射法预先镀制一层约 2 n 5 m厚的 S阻挡层。 i

元素能形成浅施主能级掺杂，

掺杂量大于 1 O t .a%时，载流子浓度为 l~ 1 c 0 0。m,电阻率可达l。 l 4- m 0_~ 0- t c I,

S O转变为导体 _。由于掺杂 n2 2 _

S O存在高浓度的自由电子，对中远红外具有较 n2高的反射率，常用于透明电极、电加热玻璃、高效节能灯、防静电膜和电磁屏蔽 l等。但是，目前 3 J要大面积低成本大规模地生产 S O透明导电膜还 n2存在一定的技术困难，本文首次提出了以单丁基三

s O, n薄膜的方块电阻用广州半导体材料研究所生产的 X一 X 2型方块电阻仪测定，薄膜的晶体结构采用日本理学电机株式会社生产的 D/ a一 A m x1 R型转靶 X射线衍射仪进行分析，采用 J M—O C 一 E IO XⅡ射电子显微镜 HI A HI 5 0型扫描电镜进透 T C￥7行形貌和结构分析，膜厚用 JA. . W￣lm公司生 l a产的 wVA E 2 M椭圆偏振仪测定。 S 3T

氯化锡 ( 4 9 n I,以下简称 MB C和三氟乙酸 C H S C3 T ) (FC O C 3 O H,以下简称 T A) F为反应先驱体，采用常压热分解 C D法制备 F掺杂 S O透明导电膜 V n2的生产工艺，并详细研究了基板温度对薄膜微结构和性能的影响。

2薄膜结构性能及分析2 1薄膜厚度 .图1为薄膜厚度的对数与基板温度倒数的关系曲线图。由图 1,基板温度在 5 5以下时，薄知 2℃膜厚度随着基板温度的提高有很大的变化，超过

1薄膜制备及测试方法F掺杂 S O薄膜采用常压热分解 C D工艺制 n2 V

收稿日期：2 0—1 6 0 21- 0

基金项目：国家 8 3技术计划 (0 1 A 22 2 6高 20 A 3 00 )

通过实验测量常压热分解CVD工艺制备的F掺杂sn 薄膜的方块电阻、膜厚、形貌、微结构、中远红外反射率等性质,详细研究了基板温度对SnO2薄膜微结构的影响和微结构与薄膜电学、光学性能之间的关系。研究发现,将基板温度从375℃提高到525℃以上,薄膜结晶程度大大提高,薄膜厚度从25nm提高到近300nm,方块电阻下降了两个数量级,中远红外的反射率达到了85%以上

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2期

莫建良等：F掺杂 S O透明导电薄膜微结构及性能研究 n2

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2 2薄膜方块电阻与电导率 .

图 2薄膜方块电阻、电导率与基板温度关系是曲线图。图中方块电阻曲线表明，随着基板温度从

35 7"高到 55 C升 2" C以上，沉积所得薄膜的方块电阻从 17 f下降到 1Q,下降了两个数量级。 3 0￣ 5

图 1薄膜厚度对数 ( ( )与 Id) n基板温度倒数 (/关系曲线图 1 T)Fg 1 D p n e c f h hc ns g

r h I( ) i. e e d neo et i esl ai m( d) t k o t n o h eircl e eaue 1 T) n terc oa mprtr (/ p t

55 2℃后不再有显著变化，这跟反应机理有关。目 前对 C D反应机理比较认同的观点是 C D反应主 V V

图 2薄膜方块电阻 ( ) Rs、电导率 ( )与基板温度 (关系曲线图 T)Fg 2 D pn ec f h u r ei a c( i . e e d neo es aers tn e Rs t q s ) adcn u t i ( n o d ci t d)o h u srt e eaue T) vy ntes bt et a mprtr (

要存在两个过程：第一个过程是反应先驱体在基板表面反应生成中间产物的过程，称为热力学控制过程；第二个过程是反应中间体基板表面扩散并成膜的过程，称为动力学控制过程 l。膜厚温度曲线

从方块电阻的定义 ( / R=p d或 R=1 ( ) / d ) 可以看出影响方块电阻大小受两个因素的影响：电

前半段薄膜厚度随基板温度升高而增加，这种变化趋势可由反应热激活能来定性的解释：若反应中间产物浓度为[] ,此中间反应激活能为 Q,则[] OCe—Q/ T k,

阻率 p或电导率 ) (与薄膜厚度 d。膜厚 d与基板温度的变化关系如前所述，下面讨论电导率与基板温度的变化关系。

T增加[] 随指数关系迅速增加，两边

电导率曲线是根据薄膜厚度曲线和方块电阻曲 线计算出的。由图可知，薄膜电导率随基板温度的升高几乎成直线上升，这就说明了随着基板温度的 提高，薄膜的载流子浓度也增加了，而在掺杂浓度不变的情况下载流子浓度的变化意味着薄膜微结构的变化。 2 3薄膜结构 .

各取对数，则 l[ C 1 T,实验曲线在 5 5 n V]×/: 2℃之前定性的符合热力学规律，因此可以认为这个温度区间的反应速率主要受热力学控制，薄膜的沉积速

率取决于反应中间体的生成速率。图中虚线部分是根据热力学控制条件下薄膜生长规律在基板温度继

续升高后薄膜厚度对数与基板温度倒数关系的定性模拟曲线，而实验曲线在基板温度高于 4 5后开 7℃

图 3为不同基板温度下制备的薄膜的 X射线衍射谱。根据此衍射

谱查得薄膜具有四方相金红石型结构，另外，比较各衍射峰的相对强度，发现在不同基板温度下薄膜均具有 (0 )向生长的特性， 20定

始偏离图中虚线，在基板温度高于 5 5后膜厚基 2℃本不变，薄膜生长不再遵循热力学控制情况下的生

长规律，这是因为随着温度继续升高，中间产物浓度越来越高，开始在基板表面积聚，其在基板表面的扩散成膜速率开 …… 此处隐藏：9782字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……