爱华网随着微电子器件及制造技术的快速发展,薄膜物理与相关制备技术逐渐成为现代理工科大学生必须掌握的一门重要知识.这是小编为大家整理的薄膜物理与技术论文，仅供参考!
薄膜物理与技术论文篇一
无机电致发光薄膜最新研究进展
1、介绍背景
随着信息技术的不但发展，人们对显示终端的要求也越来越高，怎样制备高水平的显示终端已成为现在社会的技术项目。薄膜电致发光(TFEL)器件以其主动发光、视角大、平板化、全固化、响应速度快、环境适应性强、寿命长等优点正好满足了人们的这种需求 ,倍受人们关注 ,得以迅速发展，而无机电致发光薄膜是最有竞争潜力的下一代平板显示技术之一。
五、六十年代 ,人们对电致发光器件的研究主要集中在粉末电致发光器件 (PELD)上。这种粉末状态发光层对光线的散射造成的低对比度 ,以及因电极直接接触发光层而使发光层的电流过大 ,导致器件易老化、易击穿等缺点 ,电致发光的研究在60年代末期趋于停滞。电致发光研究的真正革命发生在 1974 年，日本 Sharp 公司的 T. Inoguchi 等人推出双绝缘层结构的 TFE器件 ,该器件具有很好的稳定性和寿命。单色 TFEL 器件的亮度可达 8000cd/cm ,寿命可达上万小时。日本、美国和芬兰等国已经用这种结构做出计算机显示终端。为实现 TFEL 器件的彩色化 ,90 年代初 ,徐叙 等人提出了分层优化的器件结构。这对提高发光层中碰撞激发发光中心实现发光的电子能量、提高发光亮度和发光效率 ,以及解决“蓝光问题”等都具有重要意义。近年来 ,各国的研究小组也在积极试制各种 TFEL 器件 ,摸索了一套 TFEL 器件的制备工艺 ,为实现 TFEL 器件的产业化奠定了基础。同时 ,也发现了一些新问题 ,为下一步材料、器件的研究提出了方向。
2、介绍TFEL 器件的结构和原理
传统的 TFEL 器件采用夹层结构(如图 1) ,即在两绝缘层之间夹一个发光层 ,绝缘层外侧为电极层 ,用于施加电压 ,其中一个电极层为透明电极 ,使发光层的发光能够透出。电致发光的物理过程可简述如下(如图 2)在电场作用下 ,发光层与绝缘层界面能级处束缚的电子隧穿发射至发光层 1;同时 ,发光层中杂质和缺陷也电离一部分电子 ,这些电子在电场作用下被加速 2 ;当其能量增到足够大时 ,碰撞激发发光中心 ,从而实现发光 3 ;电子在穿过发光层后 ,被另一侧的界面俘获 4 。薄膜电致发光器件一般采用交流驱动 ,在交流驱动情况下 ,当外加电压反转时 ,上述 4 个过程重复进行 ,从而实现连续发光。夹层结构中的绝缘层被一系列的电子加速层所代替,就是我们所说的分层优化结构。在这种结构中,从电极处发射的电子,在这些加速层中被多次加速,获得了足够高的能量,然后进入发光层,碰撞激发发光中心,实现发光。这种加速过程和发光过程的分离,使我们能够独立地对各层进行分层优化。这无论是对电子能量、发光亮度,还是发光效率的提高都具有重要意义。
3、无机 TFEL 研究的一般方法
发光粉的制备:发光粉的典型制备方法是将所需的原材料 ,按一定的化学计量比混合均匀 ,压片 ,将压好的片在一定的温度和气氛下烧结 ,烧结温度、环境气氛、烧结时间的长短是应考虑的几个因素。烧结过程除了通过有关的化学反应得到所需的基质材料外 ,还可使发光中心向基质材料中均匀扩散。通常制备硫化物基质材料时还需要补硫 ,这就需要在考虑硫含量的同时 ,还要注意污染问题。
4、TFEL 所面临的主要问题
电致发光研究在得以迅速发展的同时 ,也并非总是一帆风顺的 ,也存在一系列的问题。主要表现在以下几个方面。
首先是器件的稳定性不够 ,有些材料在高场作用下内部离子发生迁移。其次是发光材料的稳定性和附着性差。第三是薄膜电致发光的驱动电压一般比较高 ,无法利用通常的集成电路 ,需要高压集成电路。然而 ,与上述这些问题相比 ,更加严重的问题在于难于实现全色显示。
TFEL 的发展方向就是实现全色显示 ,而长期以来 ,难以得到亮度高、色纯度好的蓝色发光。在全色显示所需的红、蓝、绿三基色中 ,红色和绿色已经达到了实用化要求 ,而蓝光的亮度则仍然不够 ,这已成为实现全色化的最大障碍 ,即所说的“蓝光问题”,成为实现全色化的瓶颈问题。另外 ,TFEL 器件还存在效 率不够高、寿命不够长、制备工艺不够完善等问题。
5 提高蓝光亮度的新探索
尽管 TFEL 显示还存在种种问题 ,但人们对它的研究兴趣却丝毫未减。在对发光材料的研究过程中也取得一些进展 ,几种常见的发光材料研究进展在表 1 中已经给出(表中的 CIE表示发光颜色的色坐标 ,下同)。
表1 几种TEFL材料的研究进展
发光材料 发光颜色 CIE CIE 亮度发光效率 2(cd/m) (lm/W) x y (60Hz)
ZnS:Mn 黄色 0.50 0.50 300 3~6 CaS:Eu 红色 0.68 0.31 12 0.2 ZnS:Mn/fliter 红色 0.65 0.35 65 0.8 ZnS:Tb 绿色 0.30 0.60 100 0.6~1.3 ZnS:Mn/SrS:Ce 白色 0.44 0.48 470 1.5 蓝光问题是阻碍 TFEL 器件实现全色化的最大障碍。为此 ,各国的科研小组围绕着提高蓝光亮度进行了大量投入 ,开展了多方面的科研工作 ,包括对器件结构的优化、改善发光薄膜的结晶状态、提高发光中心浓度、改善制备工艺、采用新的制备方法、寻找新的蓝光材料等 ,这些努力都在不同程度上提高了TFEL 器件的蓝光亮度 ,改善了器件性能。人们找到了一些性能较好的蓝色电致发光材料比如：
①SrS∶Ce是人们最早发现的性能较好的蓝色电致发光材料也是人们研究最多的蓝光材料之一。尽管在近几年的研究中人们又发现了一些性能较好的蓝色发光材料 ,但是 SrS∶Ce 仍然被认为是最有前途蓝光材料 。以 SrS∶Ce 作为发光体 ,在 60Hz时可获得 100cd/m2 的蓝绿光 ,经滤光片滤光后可得到全色显示所需的蓝光成份。但 SrS∶Ce 的发光也存在色纯度差、SrS材料易潮解等问题 ,且 SrS∶Ce 薄膜中存在大量的硫空位 ,这些硫空位的大量存在将会导致发光的淬灭。高温下的退火处理能够提高 SrS的结晶质量 ,促进发光中心 Ce3+ 的形成。因此 ,退火处理被广泛应用于 SrS∶Ce 的研究中。Kouto等人早在 1994 年就利用退火方法获得了 1kHz 电压驱动下发光亮度为800cd/ m发光效率为 0.42lm/ W的 SrS∶Ce薄膜电致发光器件 。最近日本的Taka 等将 SrS∶Ce 器件在 2 %H2S-98 %Ar 气氛下的退火 ,可使其发光亮度达2000cd/m2以上 ,滤光后仍然能够得到相当强的蓝光 。这是因为 H2S种的 S填补了其中的 S空位 ,使其中的S空位减少的原因。
②MGa2S4∶Ce (M = Ca ,Sr ,Ba)
人们在研究硫代镓酸盐MGa2S4∶Ce (M = Ca ,Sr ,Ba)后发现 ,Ce原子在其中的发光波长比在 SrS中短 ,色纯度较好 ,且这种材料稳定性好 ,不易潮解。Bénalloul 等人对硫代镓酸盐进行了较为详细的研究 ,在蓝光方面也取得了一些进展 ,结果如表2。硫代镓酸盐在实验室条件下得到了60Hz时10cd/ m2 的发光亮度 ,峰值波长在 459nm。这种材料无论是亮度、稳定性还是色坐标都基本达到了彩色化的要求。因此MGa2S4∶Ce (M = Ca ,Sr ,Ba) 是一种很有意义的蓝色发光材料。其缺点是发光效低、发光材料难以制备、薄膜结晶状态差等。 虽说以上这些材料有很好的发光特性，但都未达到产业化的要求。之后直到1999年N.Miura等采取双源脉冲电子束蒸发法制备出在50Hz 交流驱动下亮度达65cd/m2的BaAl2S4:Eu TFEL器件南光薄膜才真正意义上得到应用。早在1974年，
P.C.Donohue和J.E.Hanlon采用Eu、 Yb、Ca、Sr、Ba、Ca等的硫化物在真空石英管中以碘为矿化剂合成了掺Eu2+发光中心的碱土硫代铝酸盐、碱土硫代镓酸盐、碱土硫代铟酸盐，发现发光效率最高的是SrGa2S4:Eu中Eu2+激发态跃迁。以后有人发现了一系列的掺Eu的发光材料导致对高性能南光材料BaAl2S4:Eu的发现。为了提高BaAl2S4:Eu蓝光薄膜的亮度、色纯性以及降低退火温度，人们引入其他元素部分取代BaAl2S4:Eu中Ba位、Al位、S位。经过研究发现用Mg取代部分Ba可以降低薄膜的退火温度;在制备上采取双源电子束蒸发一个源是BaS:Eu，另一个源是Al2S3，沉积过程中多数采用H2S补S，原则上也可采用其他含s的化合物补S;若采用混有元素 S 的四源电子束蒸发制备BaAl2S4:Eu薄膜并在含元素S的蒸发源附近设液氮冷阱以限制过量S和O2等其他有害物质沉积到薄膜，这样可有效提高薄膜的亮度。但由于双源脉冲或共蒸发沉积设备昂贵且难于实现大面积镀膜，溅射法制备BaAl2S4:Eu薄膜近来被广泛采用。这种BaAl2S4:Eu薄膜也是以后TFEL器件的主要材料。
6 TFEL 器件的前景展望
TFEL 显示器是唯一全固化的平板显示器 ,它具有主动发光、体积小、视角大、分辨率高、适应温度宽、响应速度快和对比度高等优点 ,而且比通常的薄膜晶体管 TFT 和液晶 LCD 的制备工序少 ,因此正以其独特的优势迅速发展。单色显示器已经商品化 ,彩色 TFEL 显示器也已逐渐走向市场。因此 ,TFEL器件具有广阔的发展前景。目前 ,蓝光亮度虽已经达到了实用化的要求 ,但 TFEL 离全色显示还有相当的一段路要走 ,今后仍需进一步在改进工艺、改善器件结构、降低成本、提高器件性能、使 TFEL 器件商品化等方面增大投入。可以预计 ,一旦实现完全意义上的全色显示 ,实现 TFEL 彩色显示器件的商品化 ,将会带来显示领域的革命 ,TFEL 器件将会占有相当的市场份额。
薄膜物理与技术论文篇二
AZO薄膜光电性能的研究
1.AZO薄膜的应用和发展及其主要性质
作为新型太阳能电池窗口层应用的AZO薄膜，是性质优良的Ⅱ一Ⅵ族掺杂宽带隙直接跃迁半导体材料，晶体结构为六角纤锌矿，原料易得、廉价、无毒，性能稳定，是最具开发潜力的新型功能材料之一。AZO薄膜还具有优异的光电性能，如低电阻率及可见光范围内的高透光率，被广泛应用于光电透明导电薄膜、太阳能电池电极、磁光、 电光器件、压电器件、新型发光材料、缓冲层等领域[1]。
作为微掺铝的ZnO透明导电膜的研究工作最早开始于上世纪80年代初期，Chopra K.L等人最早报道了利用乙酸锌和少量aic13的混合溶液热喷涂的方法制备AZO薄膜[2]。国内近年来对AZO薄膜的制备工艺及性能研究也取得了一些显著的成果。中科院金属研究所的闻立时和江健等人在国内较早的开始对AZO薄膜的研究工作，探讨了AZO薄膜制备过程中不同工艺参数对薄膜的组织结构和性能的影响[3]。清华大学的付恩刚和庄大明等人通过中频交流磁控溅射法研究了制备工艺中薄膜厚度、衬底温度以及氩分压对薄膜的红外反射性能的影响，对制备具有高红外反射率AZO薄膜的工艺提供了参考和依据[4]。工程物理研究院的杨晓峰、李强等人对AZO靶材的制备工艺进行了研究[5]。中南大学的周宏明和易丹青等人研究了溶胶-凝胶法制备AZO薄膜过程中铝掺杂量和退火温度等工艺参数对薄膜的光电性能和微观结构的影响，且制备的AZO薄膜电阻率为3.210Ω·cm，可见光波长范围内平均透过率超过90%[6]。
2.制备方法、原理、制备优势及其仪器介绍
AZO薄膜的制备方法有很多种，如磁控溅射法、溶胶-凝胶法、电子束蒸发法、脉冲激光沉积法、分子束外延法、原子层沉积法等，本实验设计采用磁控溅射的方法。
磁控溅射是指用高能粒子轰击固体靶材表面，使得固体表面的原子和分子与入射的高能粒子交换动能，从而从固体表面飞溅出来的现象。溅射出来的原子或原子团由于与高能粒子交换了动能，因此具有一定的能量，可以重新凝聚，沉积在固体基片表面上形成薄膜。溅射法制备薄膜通常是利用气体放电电离后产生的正离子在电场作用下高速轰击阴极靶材，将阴极靶材的原子或分子击出，溅射到被镀基片表面沉积成薄膜。在实际应用中，一般在溅射中加入磁场，通过磁场来改变电子的运动方向，以此束缚和延长以提高了电子对工作气体离化的几率，使得轰击靶材的高能离子增多和轰击基片的高能电子减少，电子的能量可以有效的得到利用。相对其它制备薄膜的方法，磁控溅射法有很多优势，如可以低温制备、沉积速率快、沉积过程和参数易于调节控制、衬底和薄膜的黏附性好，对靶材的几何形状没有设计上的限制，镀膜均匀性良好，几乎所有金属、合金和陶瓷材料都可以用来做靶材，适宜大规模生产等[7]。
磁控溅射主要有两种，包括直流磁控溅射和射频磁控溅射。直流溅射的放电需要依靠离子轰击靶材产生的二次电子来维持，所以二次电子必须具有足够的能量来离化溅射离子，这就需要在靶和衬底间加一个高电压用来加速二次电子来增加它的能量。因而，直流溅射只能溅射良导体，而不能制备绝缘介质膜。射频溅射-3
是在镀膜装置的两极之间加上一个高频电场，等离子体中的电子容易在射频电场中吸收能量并在电场中振荡，使得电子与气体粒子的的碰撞几率大大增加，从而提高气体的电离几率。射频溅射中，等离子体内的电子和离子在高频电场的作用下交替地向靶极移动，因此，射频溅射可以沉积包括导体、半导体以及绝缘体在内的几乎所有材料，并且由于其气体的离化率很大，溅射可以在 0.1Pa 甚至更低的气压下进行[8]。
实验所用的溅射镀膜装置的主要部分包括：a.真空系统：由真空室，进气口，排气口和抽气系统(分子泵、机械泵)构成。其中电磁阀的作用是防止机械泵内的油回流。b.电源控制装置：由进口的电源与电源匹配器组成。用来调节射频功率。c.控制装置：配备有测真空压力的电阻规与电离规，可测真空度量级 10-5，另外还有流量控制器和衬底加热装置。d.溅射装置：溅射装置由载有衬底的运动小车和溅射靶材构成，其中靶基距固定为 75mm。下图为AZO溅射腔室结构示意图：
3.实验条件及实验步骤
在同一溅射压强、溅射功率的条件下，研究不同的基底温度对射频磁控溅射制备AZO(厚度为500nm)薄膜的光电等性能的影响;溅射AZO靶材时，靶材和基片距离6cm，10分钟预溅射，溅射压强为0.25帕，
-44.010溅射功率130w，本底真空度帕，基底温度分别为200、300、400摄氏度，氩气流量为40sccm。
实验前首先将基底用微波清洗酒精擦干净后，准备好样品放置在托盘上，将托盘放置在转动盘上，然后密闭实验仪器，打开磁控溅射电源和循环水，关闭进气口与出气口。启动机械泵对真空室预抽真空，之后启动分子泵闸板阀开至最大，使溅射腔室中本底真空度达到 10-4Pa数量级。打开进气口阀门，打开Ar 气瓶阀门，将氩气流量调节为40sccm，通过调节闸板阀，使腔室内气压达到清洗气压，然后打开偏压进行清洗。
待清洗完毕后，关闭偏压，通过调节闸板阀的位置调节溅射真空室中的工作气压。然后打开衬底加热开关，将衬底加热到所需要的基底温度，同时开启射频电源，调节溅射功率，启动溅射程序，观察有辉光出现后，将靶材预溅射 10min。预溅射完成后，靶材表面的杂质会被打掉，系统起辉达到稳定。调节溅射功率至实验所设定的数值，待基底温度加到所需要的温度后，稍加偏压，开始溅射。溅射过程中要注意观察射频电源的反射功率是否变化过大、电流电压以及溅射气压是否稳定等。溅射结束后，先关闭射频电源、偏压、进气口以及加热开关，将闸板阀开到最大，关闭气体流量控制阀和Ar气瓶阀门，待基底温度降低到50摄氏度时，可关闭加热电源、电磁阀分子泵及机械泵，最后关闭总电源和冷却水，待腔室内温度达到室温后，可从腔室内取出样品，检测相关性能。检测完成后，可取制备出的薄膜样品性能最好的一组，进行时效处理，即热处理，研究不同退火温度对薄膜的光电性能的影响。
4.薄膜的性能表征及其原理和仪器
采用紫外—可见分光光度计测量样品可见光范围内的光透过率。用UV—3600型双光束紫外一可见分光光度计对玻璃基底的样品进行了透过率的分析测量，测量范围为200～900nm。该设备有两个同样的长方形支架，一个放测试样品，另一个放参考空白玻璃衬底以采集临时基线。光作用到材料表面会发生反射和折射现象,光在材料内部传播时会被吸收,要想知道了材料的折射率和吸收系数,可以根据光照射到材料上的透、反射率和吸收率来计算得到。所有的变化在下图都有标出,入射光强是IO,反射光强是IOR,反射系数由菲dI-I涅尔公式与界面两边的材料的折射率来求，材料内部的光按规律dx吸收，透射光强为2-xI(eo1-R)，所以知道了光的反射和透射后就可以计算得到薄膜的折射率以及吸收系数[9]。
采用四探针电阻测试仪测量样品的方块电阻。本实验测量采用的是广州半导体材料研究所的SDY一5型的双电测四探针测试仪。该仪器采用了四探针双电位组合测量技术,将范德堡测量方法应用到直线四探针上。利用电压探针和电流探针的组合变换,进行两次电测量,其计算结果能自动消除由样品几何尺寸、边界效应以及探针不等距和机械游移等因素引起的对测量结果不利的影响。氧化物半导体薄膜的导电性用电导率来表示,电导率正比于载流子浓度和迁移率的乘积,即eneee,式中ne为载流子浓度,e为电子迁移率,e为电子电荷，迁移率定义为单位电场强度下的漂移速度,它反映薄膜的内部性质,通常用电阻率来表征:1Rte，其中R和t分别为薄膜表面方块电阻和薄膜的厚度，通常测透明导电薄膜的方块电阻采用四探针法测量，其原理如下图所示：
四个探针平行，彼此距离相同都为1mm,测量时在探针1、4间施加一直流电压,针1在膜中产生的电场E是以该针为中心,在膜一平面内辐射场距针1为s的场强为:2sjI2rt，此电场在2、3间产生的电位V23差为：IIln22xt2tss，式中I为通过针1的电流强度。同理,把针4视为负场源,它在针2、V'233间产生的电位差为：IIln22xt2t2sR，故方块电阻tVln2I，因此测出探针2、
3之间电压V和流过探针1的电流I就可以求出方块电阻R。
采用霍尔系数测量仪测量薄膜的载流子浓度及霍尔迁移率。霍尔测量是测试薄膜电学性能最常用的方法,在己知薄膜厚度的前提下,通过霍尔测量可以给出薄膜的导电类型、电阻率、载流子浓度和霍尔迁移率,根据霍尔测量的结果可以对薄膜的电学性能进行详细的分析，并且通过不同温度下的霍尔测量,可以对载流子的散射机制进行分析。基本原理是利用霍尔效应：指通过电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象。本实验采用的霍尔系数测量仪中的霍尔测量电路如下图，其中A是恒流源,V是高、低电位差计及检流计系统或数字电压表。根据霍尔测量的这些结果，可以详细的对薄膜的电学性能进行分析。
5.其它透明导电薄膜及其制备方式和应用领域
除了半导体薄膜中的AZO透明导电薄膜外，目前的透明导电薄膜还主要有金属膜系、氧化物膜系、其他化合物膜系、高分子膜系、复合膜系等。金属膜系导电性能好，但是透明率差。半导体薄膜系列刚好相反，导电性差，透明率高。当前研究和应用最为广泛的是金属膜系和氧化物膜系。透明导电薄膜主要用于光电器件(如LED、薄膜太阳能电池等)的窗口材料。1907年Badeker首先报道了 Cd 膜在辉光放电室沉积氧化后的透明导电现象，也有文献报道 Cd的氧化物的透明导电性是在1951年首次报道的。5年后相继有其它宽带氧化物半导体的透明导电性能报告,并将其用于 heated windows(窗体致热)。类似于AZO的氧化物薄膜还有GZO薄膜，此外，最常见的透明导电薄膜为ITO(锡掺杂三氧化铟)，主要采用磁控溅射法、溶胶-凝胶法、真空蒸发法、喷雾热分解法、化学气相沉积法等来制备，ITO薄膜具有透光性好、电阻率低、易刻蚀和易低温制备等优点，主要应用于液晶电视、 建筑用节能视窗、太阳能电池、 轿车风挡等方面。
参考文献
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