采用射频磁控溅射系统制备氧化锌薄膜

本文介绍了我们华林科纳采用射频磁控溅射系统，在衬底温度为275°C的氩气气氛下，在玻璃衬底上制备了氧化锌薄膜，将沉积的氧化锌薄膜在稀释的盐酸中蚀刻，制备出表面纹理的氧化锌。研究了合成膜的形貌、光学和电学性质对蚀刻剂浓度的影响，得到了具有良好捕光特性的高效表面纹理氧化锌薄膜。

通过射频磁控溅射系统(ULVAC MB06-4703)在275℃的衬底温度下在玻璃衬底上制备一系列ZnO膜，玻璃衬底的尺寸为25.4×25.4×2mm，靶是纯度为99.995 %的ZnO圆盘(2英寸直径)，靶和基底之间的距离大约为10厘米，靶在高纯氩(99.999 %)和氮(99.999 %)等离子体中溅射，在沉积之前，将基底在肥皂溶液中清洗，浸入丙酮和乙醇溶液中，并在用蒸馏水冲洗后在超声波浴中清洗10分钟，然后在应用沉积之前，在50℃的烘箱中干燥衬底30分钟。用射频磁控溅射系统(ULVAC MB06-4703)在玻璃衬底上制备了一系列ZnO薄膜，溅射室装有旋转叶片泵和涡轮泵，在两小时的泵送时间后，该室被抽空至1.2×10-3Pa的基础压力。在应用沉积之前，溅射清洗ZnO靶和衬底以去除氧化物和污染物，对于所有制备的样品，在约2×10-1Pa的操作压力下沉积ZnO薄膜，持续时间为60分钟。

在这项工作中，ZnO薄膜的厚度是由表面轮廓仪(KLA Tencor P16)测量的，为了获得薄膜厚度，在沉积之前将小胶带放置在基底上，以在样品表面获得台阶，在样品表面的不同点测量台阶高度，薄膜厚度取这些值的平均值，将所制备的薄膜在浓度为0.01-0.05m的稀盐酸中腐蚀30秒，化学腐蚀后ZnO薄膜的厚度约为560 nm，本文研究了盐酸浓度对ZnO薄膜的形貌、光学和电学性质的影响。采用原子力显微镜技术研究了氧化锌薄膜的显微结构和表面形貌。蚀刻的氧化锌薄膜的典型AFM图像如图1所示。

用0.0M、0.01M、0.03M和0.05M的盐酸蚀刻氧化锌薄膜的表面粗糙度（均方根）分别为5.03nm、5.08nm，分别为5.22nm和5.38nm，纹理氧化锌膜的表面粗糙度随着盐酸浓度的增加而增加，薄膜表现出带有环状团簇的细多晶颗粒，结果表明，薄膜具有高度致密的性质。采用x射线衍射(XRD)检测了氧化锌薄膜的晶体结构和优先取向，并进行扫描，所有的氧化锌薄膜的XRD光谱都非常相似，氧化锌薄膜的典型XRD光谱如图2所示。

薄膜在（002）方向上显示出强峰，表明多晶六角体晶体结构具有优先的c轴取向，在多晶六边形结构中，排列最紧密、自由表面能最低的是（002）平面，这将有利于晶粒在方向上的生长，利用谢勒方程可以从XRD谱中确定氧化锌薄膜的粒径，另一个与（004）方向相对应的低强度峰，表明薄膜具有c轴垂直于基底的首选取向。

光谱椭偏法被广泛用于测定薄膜的光学性质，在本工作中，使用珀金埃尔默的双光谱仪Lambda750进行了透射光谱测量，使用装有积分球的扫描分光光度计进行测量，通过将测试样品放置在球体的入口，透射光进入球体，球体收集所有通过样品的光，以获得总的透射率。对于漫射透过率的测量，在积分球上有一个孔，因此不采集直接通过样品的光，蚀刻的氧化锌薄膜在300-1200nm波长范围内的总透射率光谱。

在所研究的盐酸浓度下，腐蚀后的ZnO薄膜的平均透过率没有明显的变化，该薄膜在300-1200纳米波长范围内的平均透射率为76 %,在400-800纳米可见光波长范围内的透射率增加了83 %，表面织构化氧化锌薄膜的光散射可由漫透射率来评估。

不同盐酸浓度下蚀刻的氧化锌薄膜在300-1200nm波长范围内的漫射透过率的光谱，随着盐酸浓度的增加，表面纹理氧化锌薄膜的漫射透过率显著增加，可以看出，当浓度为0.05M时，氧化锌薄膜在可见波长内的平均漫射率增加到9.52%，而已沉积的氧化锌薄膜的平均漫射率仅为0.51%吗，这表明表面纹理的氧化锌通过湿化学蚀刻过程可以显著改善氧化锌薄膜的光散射。

利用EcopiaHMS-300系统，通过霍尔效应测量，研究了表面纹理的氧化锌薄膜的电学性能，表面纹理氧化锌薄膜的电阻率和霍尔迁移率随盐酸浓度而变化，随着盐酸浓度从未处理增加到0.05M，薄膜的电阻率从5.84x10-2厘米减少到1.10x10-3厘米，随着盐酸浓度从0.0M增加到0.05M，霍尔迁移率从4.66cm2/VS增加到14.6cm2/VS，电阻率的降低是由于结晶程度和取向[15]的增加，这导致迁移率的增加。随着盐酸浓度从未处理增加到0.05M，载流子浓度从1.33x10-19cm-3增加到4.31x1020cm-3，衍射峰强度的增加以及峰的缩小，即随着盐酸浓度的增加，峰的半最大值(FWHM)全宽减小，表明薄膜的结晶度提高。

研究了用盐酸蚀刻的氧化锌薄膜的形貌、光学和电学性能，实验结果表明，盐酸浓度对改变氧化锌薄膜的形貌、光学和电学性能起着重要的作用，纹理氧化锌薄膜随着盐酸浓度的增加，表面粗糙度增加，从而产生光散射，从而有利于光捕获，增强光的吸收，随着盐酸浓度从未处理增加到0.05m，氧化锌薄膜的电阻率从5.84x10-2厘米降低到1.10x10-3厘米，本研究表明，通过化学蚀刻引入纹理表面，可以显著提高氧化锌薄膜的光散射和电阻率。

　　审核编辑：汤梓红