锌掺杂靶材溅射沉积调控Ga掺杂ZnO薄膜缺陷形成及载流子密度优化的研究

本文推荐一篇关于Ga掺杂ZnO（GZO）薄膜制备技术的重要研究。作者创新性地采用Zn添加的GZO粉末靶材，通过磁控溅射在常温下实现电阻率低至4×10?4 Ω·cm的高导电薄膜，解决了传统靶材因Zn/O比例失衡导致的载流子密度空间分布不均问题。研究揭示了Zn添加通过抑制氧间隙（Oi）和锌空位（VZn）等受体缺陷，显著提升薄膜电学性能的机制，为柔性透明电极开发提供了新思路。

　　

引言

Ga或Al掺杂的ZnO（GZO/AZO）作为透明导电氧化物，因其低电阻率、高透光性和环境稳定性，在太阳能电池和显示面板中具有广泛应用前景。然而传统溅射法制备的薄膜存在电学性能随基板位置（in-plane spatial distribution）和靶基距（T-S距离）显著波动的问题，尤其在非加热基板上电阻率急剧升高。本研究通过缺陷方程（Kroger-Vink notation）理论分析，提出Zn添加可调控Zn/O原子比，从而抑制受体缺陷形成。

实验方法

采用射频（RF）磁控溅射技术，以Ga₂O₃与ZnO混合粉末（摩尔比1:100）经800℃退火制成的GZO靶材为基础，添加金属Zn粉末制备复合靶材。在未加热的石英基板上沉积薄膜，系统研究靶基距（50-100mm）、溅射压力（0.3-1Pa）和功率（200W）对薄膜性能的影响。

结果与讨论

3.1 电学性能的空间分布

使用传统烧结靶材时，薄膜在等离子体侵蚀位置（erosion positions）出现载流子密度骤降，电阻率升高两个数量级。而Zn添加靶材制备的薄膜在侵蚀区仍保持4×10^?4 Ω·cm的低电阻率，且载流子密度提升至3×10²⁰ cm^?3。这表明高能粒子轰击导致的晶格损伤并非性能劣化的主因，氧过量（O-rich composition）引发的Zn空位（V_Zn）才是关键因素。

3.2 靶基距依赖性

当T-S距离从50mm增至100mm时，传统GZO薄膜电阻率飙升三个数量级，而Zn添加样品仅轻微上升。飞行粒子质谱分析表明，带电Zn⁺与O^-在电磁场中发生差异化偏转，导致远距离基板处Zn/O比下降。Zn添加通过补偿Zn缺失，有效抑制了长距离沉积时的受体缺陷形成。

3.3 厚度效应

对于厚度<100nm的薄膜，即使采用Zn添加仍出现载流子密度断崖式下跌（25nm时降至1×10¹⁹ cm^?3）。X射线衍射摇摆曲线显示，近界面处晶粒取向紊乱导致晶界缺陷（grain boundary defects）富集，这类复合缺陷不受Zn/O比调控，可能是限制超薄薄膜性能的终极瓶颈。

结论

Zn添加策略通过精准调控Zn/O化学计量比，将GZO薄膜电阻率降至可与高温沉积媲美的水平（4×10^?4 Ω·cm），同时消除了传统工艺固有的空间不均匀性。在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上的初步实验证实了该技术在柔性电子中的应用潜力。未来需进一步探究：（1）T-S距离与电阻率负相关的物理机制；（2）界面处顽固性受体缺陷的原子级构型。这项研究为缺陷工程（defect engineering）指导透明电极开发提供了范式。