2024年5月28日发(作者：)

AZO导电薄膜的制备

摘要:综述了AZO导电薄膜的结构、电学性能、光学性能、制备方法及应用。详细介绍

了各种制备技术的优缺点，并指出了AZO薄膜的广阔的应用前景和发展前景。

氧化锌(ZnO)是一种具有六方纤锌矿晶体结构的宽禁带II-VI族半导体材料,由于其

优良的特性,在太阳能电池、紫外探测器、声表面波器件、气敏传感器、透明电极等方面

得到了广泛的应用。氧化锌可以在很宽范围内调节和控制, 不同条件下生成的薄膜具有

不同的功能。在氧化锌薄膜中掺入铝、铟、氟等杂质,能有效地提高薄膜的电导率,改善

其性能。掺铝氧化锌( AZO) 薄膜是一种透明导电膜,对可见光有较高的透射率, 在高温

下不易与氢发生互扩散,因此在活性氢和氢等离子体环境中化学稳定性高,不易使太阳能

电池材料活性降低。AZO 膜的材料来源丰富, 价格便宜, 在太阳能电池、液晶显示和防

静电等领域,有广泛的应用前景。

一． AZO薄膜的结构

用扫描电镜( SEM) 研究采用各种技术生长的AZO 薄膜的微结构, 结果表明: 各种

方法制备的AZO 膜都为六角棱柱形纤锌矿多晶结构（即六方ZnO 结构）。每个Zn 原

子和最邻近的4 个O 原子构成1 个四面体结构; 同样, 每个O 原子和最近邻的4 个

Zn 原子也构成1 个四面体结构, 如图1 所示。工艺不同其多晶结构的主取向也不同,

并会稍微影响其晶格常数。

二．AZO薄膜的电学性能

AZO膜的主要成分是ZnO, 其禁带宽度为3.37 eV,是一种透光性较好的材料。纯ZnO

薄膜是本征半导体, 在一定温度下, 总有一些电子获得足够的能量, 从价带跃迁到导带,

成为导带的自由电子, 同时价带出现等数量的空穴, 但由这种激发产生的平衡载流子的

数量很少, 所以纯ZnO 薄膜的导电性很差,几乎不导电。在ZnO 薄膜中掺入浅能级杂质

Ⅲ族元素Al, Al3+离子, 能级位于半导体禁带, 且靠近导带底。Al 的原子半径与格点的

Zn 原子半径相近,它将占据晶格格点, 与周围元素形成共价键。Al 的价电子数比Zn 多

一个, 出现了弱束缚的电子, 这个多余的电子只需要很少一点能量, 就可以摆脱束缚并

成为在ZnO 薄膜中作共有化运动的自由电子, 也就是成为导带中的电子。由于AZO 薄

膜导电的非平衡载流子主要是电子, 所以AZO 薄膜为ｎ型半导体。由于Al 原子向导

带提供电子, 所以Al 原子为施主杂质。AZO 膜的电子载流子浓度为10

18

~10

20

cm

3

,电子

迁移率为7~10

2

cm

2

/ V·s, 室温电阻率为10

- 1

~10

- 4

Ω·cm, 电学稳定性高, 在室温下放

置一年以上仍然保持稳定。

三．AZO薄膜的光学性能

由于AZO 膜的禁带宽度大于可见光子能量(3.1eV), 在可见光照射下不会引起本征

激发, 所以它对整个可见光是透明的。可见光区的透射率高达80%~90%, 一定程度的

A1 掺杂对膜的透射率影响不大。作为一种宽禁带半导体, 在AZO 薄膜导带上有相当高

的自由电子浓度, 高浓度电子将引起可见光和红外区电磁辐射的吸收。人们发现透明导

电膜都存在“蓝移”现象( Burstin-Moss effect) , 一般随着掺杂比增大, 光吸收边界的“蓝

移”现象越明显。这是因为半导体的能带结构与颗粒尺寸有密切的关系,随着颗粒的减小,

半导体的发光带或者吸光带可由长波长移向短波长, 发光的颜色从红光移向蓝光,这就

是半导体的“蓝移”现象。而这种随着颗粒尺寸的减小, 能隙变宽发生“蓝移”的现象

是由量子尺寸效应引起的。

四．AZO薄膜的制备方法

ZnO薄膜有多种制备方法,几乎所有的制膜方法都可以用来制备AZO薄膜, 为了获

得可见光谱区透射率高、电导率高、性能稳定、附着性好、能符合不同用途不同要求的

高质量的AZO 膜, 国内外已经研发出多种AZO 薄膜的制备技术来调控和改善材料的

性能,如磁控溅射、溶胶- 凝胶、脉冲激光沉积、真空蒸镀、化学气相沉积等工艺均能制

备ZAO薄膜，各种技术虽然各具特点, 但都致力于完善薄膜性能、降低反应温度、提

高控制精度、降低制备成本和适应大规模生产。

磁控溅射法是研究最多、最成熟和应用最广泛的方法， 是利用荷能粒子轰击靶材,

使靶材原子或分子被溅射出来并沉积到衬底表面的工艺。与其它方法相比, 溅射技术具

有沉积温度低、结合力好、沉积速率高、膜厚均匀、高密度、过程容易控制、可反应沉

积、能够方便地控制各个组元的成分比例、相对便宜和易于大面积沉积等优点。但所得

到的薄膜的透射率相差并不大, 其主要区别在于电阻率。磁控溅射法可分为直流磁控溅

射法和射频磁控溅射法。