华中科技大学
姓名：***
申请学位级别：硕士
专业：物理电子学
指导教师：***
2011-01-03
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘 要
透明导电氧化物（TCO）薄膜由于其优良的可见光透过性和导电性在平板显示器件、触摸面板、太阳能
光伏电池、反射热镜、气体敏感器件和透明PN结等领域有着广阔的应用前景。本学位论文采用脉冲激光沉积技术（PLD）制备铌掺杂二氧化钛（TNO）透明导电薄膜，并对薄膜的结构、光学性能以及电学性能进行了详细的研究。结果表明所制备的TNO薄膜具有良好的可见光透过率以及低的电阻率，满足透明导电薄膜的基本要求。论文的主要内容和结论如下：
(1) 采用PLD技术在熔融石英衬底上制备了掺杂的锐钛矿TiO2薄膜。通过X射线衍射仪（XRD）、X射线荧光（XRF）、原子力显微镜（AFM）、场发射扫描电镜（FSEM）对TNO薄膜的结构、组分、表面形貌进行了测试与表征。研究表明，当激光能量密度为3J/cm2、重复频率为4Hz、沉积温度为600℃、氧压为0.8Pa时，薄膜为（101）择优取向的锐钛矿多晶膜，薄膜厚度约为190nm。
(2) 采用紫外可见光光度计研究了TNO薄膜在可见光波段的平均透过率，结果表明所制备的薄膜可见光透过率都超过70%，薄膜的紫外吸收边随氧压的增大发生了蓝移。
(3) 采用四探针平台和霍尔测试仪对TNO薄膜的电性能进行了研究。结果表明真空退火使TNO薄膜的电阻率大大降低，当激光能量密度为3J/cm2，重复频率4Hz，氧压0.5Pa，退火温度为400℃时，薄膜的电学性能最佳，此时电阻率ρ为1.1×10-3Ωcm，载流子浓度n为5.59×1020cm-3，霍尔迁移率μH为2.33cm2/Vs。
关键词：透明导电薄膜TiO2薄膜电阻率脉冲激光沉积
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
Abstract
Due to the high transparency in the visible region and good conduction, transparent conducting oxide (TCO) films have great applications in flat panel display, touch panel, PV cells, reflect hot mirror, gas sensitive apparatus and transparent PN junction, etc. In this work, niobium doped TiO2 (TNO) thin films were fabricated on fused silica substrate using pulsed laser deposition (PLD). The structures, optical properties and electrical properties of the films were investigated. The results indicated that TNO films had high transmittance in visible region and low electrical resistivity, which satisfied the basic demand of TCO thin films. The main results are listed as follows,
(1) Niobium doped antase TiO2 thin films were synthesized on fused silica substrate by pulsed laser deposition. The structure, composition and surface image were characterized by X-ray Diffraction (XRD), X-ray Fluorescence (XRF), Atomic Force Microscope (AFM) and Field Scanning Electron Microscope (FSEM). It indicated that the (101) oriented anatase TNO thin films are obtained when laser energy density is about 3J/cm2, repetition frequency is 4Hz, substrate temperature is 600o C, oxygen pressure is 0.8Pa, and after the deposition, the thickness of the films was measured to be 190nm by cross-section SEM.
(2) The average transmittance of TNO thin films in visible region was studied using UV-visible spectroscopy. The results show that the transmittance of the films is above 70%, and with the increasing of oxygen pressure, the UV absorption edge moves toward the short wavelength side (blue shift).
(3) The electrical property of TNO thin films was investigated by the four-probe method and hall measurement method. It showed that the resistivity of the TNO films annealed in vacuum decreased sharply. After annealed at 400o C, the thin films exhibited good electrical property with resistivity ρ, carrier concentration n and Hall mobility μH was 1.1×10-3Ωcm, 5.59×1020cm-3 and 2.33cm2/Vs, respectively.
Key words: transparent conducting films TiO2thin films resistivity
pulsed laser deposition
独创性声明
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1绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着科学技术的发展和人民生活水平的不断提高，高分辨率，大尺寸平面显示器，太阳能电池，节能红外反射膜，电致变窗等光电子器件上的广泛应用，对透明导电薄膜的需求愈来愈大。透明导电氧化物薄膜的基本特点包括：宽禁带值，一般大于3eV，具有紫外截止特性；高的可见光区（380nm~780nm）透射率，大于80%；低的电阻率，小于10-3Ω·cm。其中In2O3基透明导电薄膜性能很好，掺Sn:In2O3薄膜(ITO)是目前研究和应用最广泛的透明导电薄膜之一，但由于其有毒，从环保的角度看其应用受到限制。此外，由于铟矿资源的稀缺，同时生产成本比较昂贵，目前全世界铟金属的产量近几年基本上没有增长，而需求量则逐年上升，导致价格节节攀升，因此寻求能取代In2O3基体系的新型导电氧化物薄膜材料成为最近几年科学家们的研究热点。
1.2 透明导电氧化物薄膜
透明导电氧化物[1](transparent conductive oxides 简称TCOs)是一类应用广泛的半导体功能材料，主要包括In、Sn、Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料，具有禁带宽、可见光谱区光透射率高（>80%）和电阻率低（<10-3Ωcm）等共同光电特性，广泛地应用于平板显示器件、触摸面板、太阳能光伏电池、反射热镜、气体敏感器件、特殊功能窗口涂层、透明PN结以及光电子、微电子、真空电子器件等领域[2-4]（图1-1）。
TCO薄膜最早出现于20世纪初，1907年Badeker[5-6]首次报道了Cd膜在辉光放电室沉积氧化后的透明导电现象，引发了科研工作者对透明导电薄膜的开发与利用。1950年前后出现了SnO2基和In2O3基透明导电薄膜。ZnO基薄膜兴起于20世纪80年代[7]。目前研究较多的是ITO、FTO (SnO2:F)和AZO，这些氧化物均为重掺杂、高简并半导体，半导化机理为化学计量比偏移和掺杂，其禁带宽度一般大于3eV，并随组分不同而变化。这类透明导电薄膜的光电性质主要与金属的氧化状态，掺杂元素的
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