室温生长的铝掺杂氧化锌薄膜的缺陷工程与掺杂剂激活

《Applied Surface Science》：Defect engineering and dopant activation of room temperature grown aluminium-doped zinc oxide thin films

优化溅射参数（180W，2mTorr）及后处理退火方法（KrF激光退火5脉冲125mJ/cm2或快速热退火300°C/20s），系统探究了铝掺杂氧化锌（AZO）薄膜的结构缺陷与电学性能关系。结果表明，退火工艺使电阻率降低至5.2×10^-4 Ω·cm，载流子密度提升至6.1×10^20/cm3，带隙增至3.80eV，透光率提高至88%。XRD、XPS、AFM和霍尔效应分析表明，退火有效减少晶界缺陷、改善晶体结构，并促进铝掺杂激活

　　铝掺杂氧化锌（AZO）薄膜因其高光学透明性和与锡掺杂氧化铟（ITO）相当的电导率，成为透明电极领域的重要材料。由于其在成本和沉积温度上的优势，AZO在多种光电子应用中展现出巨大的潜力，如太阳能电池、平板显示器和红外等离子体器件。然而，AZO薄膜的电学和光学性能往往受到其微观结构缺陷的影响，这些缺陷包括晶界处的陷阱缺陷和吸附缺陷，从而影响了薄膜的导电性与透明度。因此，研究AZO薄膜在不同溅射沉积和后沉积退火条件下的性能变化，对于优化其应用性能至关重要。

在本研究中，科学家们通过调整溅射功率和溅射气体压力等沉积参数，探讨了其对AZO薄膜结构特性的影响。他们发现，在较高的射频功率（或较低的溅射压力）下，溅射粒子的动能增加，导致薄膜具有更高的结晶度、更优的晶粒生长和更紧密的结构。这些条件下的AZO薄膜表现出更少的晶界缺陷，从而提升了其导电性能。在优化的沉积条件下，AZO薄膜在室温下的电阻率达到了1.11 × 10?3 Ω·cm，这一结果表明，通过合理控制沉积参数可以显著改善AZO薄膜的电学性能。

为了进一步提升AZO薄膜的性能，研究者们还采用了两种快速退火技术：脉冲式氪氟（KrF）准分子激光退火（ELA）和快速热退火（RTA）。ELA和RTA均能有效减少薄膜中的缺陷密度，提高其导电性。具体而言，ELA处理后的薄膜电阻率下降了约50%，达到5.20 × 10?? Ω·cm，这归因于自由电子密度和霍尔迁移率的增加。RTA同样显示出良好的效果，其在氮气氛围下进行，经过300°C/20秒的处理后，薄膜的电阻率同样减少了约50%，同时透明度有所提升。值得注意的是，ELA处理不仅提升了导电性，还提高了可见光区域的透光率，从82%提升至86%，而RTA则进一步将其提升至88%。此外，两种退火方式均导致带隙（Eg）的增大，从3.69 eV提升至3.80 eV，这一变化可能是由于自由电子密度的增加，从而减少了电子在晶界处的散射和捕获。

在微观结构方面，X射线衍射（XRD）分析显示，经过ELA或RTA处理的AZO薄膜的晶粒尺寸增加，晶格应变减少，同时薄膜的压缩应力和残余应力也有所变化。这些结构变化表明，退火过程不仅促进了晶粒的生长，还减少了晶界处的缺陷密度，从而改善了薄膜的电学和光学性能。原子力显微镜（AFM）图像进一步支持了这一结论，显示出退火处理后薄膜表面粗糙度的降低和结构的更加紧密。此外，X射线光电子能谱（XPS）分析揭示了退火对薄膜化学成分的影响，特别是氧相关缺陷和铝掺杂状态的变化。ELA处理后，O1s（II）成分减少，表明晶界处的吸附缺陷减少，而Al2p成分的变化则显示了铝掺杂原子在退火过程中更有效地激活并融入ZnO晶格中。

在电学性能方面，霍尔效应测量表明，经过ELA或RTA处理的AZO薄膜表现出更高的自由电子密度和霍尔迁移率，从而显著降低了其电阻率。这些变化可以归因于晶界处的陷阱缺陷减少以及铝掺杂效率的提升。研究者还指出，ELA和RTA在改善薄膜性能方面具有不同的机制。ELA通过选择性吸收激光能量，实现了局部加热，这种处理方式对薄膜的结构和缺陷分布产生了更精细的影响。而RTA则通过均匀加热，提高了薄膜的整体结晶质量和导电性。两种退火方式均有效，但ELA更适合处理对温度敏感的基材，因为它能够在短时间内提供局部的高温处理，而RTA则适用于大面积的均匀处理。

此外，研究还涉及了AZO薄膜在可见光和近红外区域的光学性能变化。可见光透光率的提升主要来自于晶界和表面缺陷的减少，从而降低了光散射和吸收。而近红外区域的透光率下降则与自由电子密度的增加有关，因为更多的自由电子会吸收或反射该波段的光。这一现象进一步验证了退火处理对AZO薄膜性能的多方面影响。

综上所述，该研究通过系统的实验分析，揭示了AZO薄膜在不同沉积和退火条件下的性能变化机制。结果表明，优化的沉积参数（如高射频功率和低溅射压力）能够显著改善薄膜的结构和电学性能，而ELA和RTA作为两种有效的退火技术，能够进一步提升薄膜的导电性和透明度。这些发现为AZO薄膜在光电子领域的应用提供了重要的指导，尤其是在需要快速退火和高温敏感基材的场景中。研究结果不仅有助于理解AZO薄膜的性能提升机制，也为未来的材料开发和工艺优化提供了理论依据和实践参考。