氢气引入对宽光谱Mg和Ga共掺杂ZnO透明导电薄膜的特性影响.pdfVIP

物 理 学报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．3(2014)036801 氢气引入对宽光谱Mg~l：lGa共掺杂ZnO 透明导电薄膜的特性影响冰 田淙升 陈新亮十 刘杰铭 张德坤 魏长春 赵颖 张晓丹 f南开大学光 电子薄膜器件与技术研究所；南开大学光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室；南开大学光电信息技术科学教育部 重点实验室，天津 300071) (2013年7月13日收到；2013年1O月22日收到修改稿) 为适应宽光谱高效率硅基薄膜太阳电池的应用需求，本文尝试采用直流磁控溅射技术在553K衬底温 度下生长氢化Mg和Ga共掺杂ZnO (HMGZO)透 明导电氧化物 (TCO)薄膜．通过对薄膜微观结构、表面形 貌、电学以及光学性能的测试和分析，详细地研究了氢气 (H2)流量 (0—16．0sccm)对HMGZO薄膜结晶特性 及光电性能的影响．实验结果表 明：生长获得的HMGZO薄膜均为六角纤锌矿结构的多晶薄膜，择优取向为 f002)晶面生长方 向．薄膜的生长速率随着氢气流量的增加呈现逐渐减小趋势，主要归因于溅射产额的减小． 适当的氢气引入会引起晶粒尺寸的增加．随着氢气流量 由0增加至4．0sccm，ZnO薄膜 电阻率从 177Q．cm急 剧减小至7．2×10 ．C1TI，主要是 由于H施主的引入显著地增加了载流子浓度；然而进一步增加氢气流量 (4．0—16．0sccm)造成 电阻率的轻微增加，主要归因于载流子浓度的减小以及过多氢杂质引入造成杂质散射 的增加．所有生长获得的HMGZ0薄膜平均光学透过率在波长 320--1100nm范围内可达87％ 以上．由 于Mg的作用及Burstein—Moss效应的影响造成了带隙展宽，带隙变化范围一3．49～3．7Oev，其中最大光学带 隙E 可达 ^一3．70eV． 关键词：磁控溅射，Mg和Ga共掺杂，氢气引入，带隙展宽 PACS：68．55．一a，81．15．Cd，81．05．Dz DOh10．7498／aps．63．036801 性．在众多掺杂剂中，Ga离子具有与Zn离子相近 引 言 的离子半径，因而在掺杂时造成的晶格失配较少． 而且，薄膜中以替位形式存在的Ga离子能够提供 透明导电氧化物 (TCO1由于在光电器件应用 额外的电子进入导带从而取得较好的电学性能． 方面的巨大潜力受到了广泛的关注，例如应用在发 若用宽光谱范围透过的TC0薄膜作为薄膜太 光二极管，平板显示和太阳电池等器件中[1-5]．锡 阳电池前电极，近紫外区fNUV，300nm左右)和近 掺杂的氧化铟 fITO)由于其杰出的光 电性能被作 红外区 (NIR，1100Dm．左右)的入射光能够被有源 为TCO广泛应用．然而考虑到铟的稀缺，众研究 者开始探索ITO的替代材料．其中，ZnO由于资源 层f吸收层)吸收利用，这样可以有效改善薄膜太阳 丰富，廉价和在强H等离子体 中较好的化学稳定性 电池的量子效率 (QE)．常规的Ga掺杂ZnO(GZO1 受到广泛关注，成为最具潜力替代ITO的TCO材 通常在可见光范围内展现出较好的透过特性．如果 料 。【，．本征氧化锌导电性较差，通常以III族元素 要应用在宽光谱薄膜太阳电池 f紫外一可见光一近红 (例如A1，Ga等)为掺杂剂改善本征ZnO的光电特 外区域)，GZO很难满足条件．若通过提高载流子 国家重点基础研究发展计划 (批准号：2