薄膜中ZnO/Ag的相對(duì)厚度對(duì)電學(xué)性能的影響

周楓

（信義節(jié)能玻璃（蕪湖）有限公司 蕪湖 241000）

0 引言

鍍膜玻璃是在玻璃表面鍍制一層或多層金屬、合金或金屬化合物薄膜，以改變玻璃的光學(xué)性能，滿足某種特定要求，而低輻射鍍膜玻璃是鍍膜玻璃中的一種。低輻射鍍膜玻璃是對(duì)4.5～25 mm紅外線有較高反射比的鍍膜玻璃，其極大地降低了玻璃表面的輻射率，玻璃輻射率從0.84降低至0.15以下［1］。隨著人們節(jié)能減排意識(shí)的增強(qiáng)，市場(chǎng)對(duì)低輻射鍍膜玻璃的要求也隨之增高，人們不再單純地關(guān)注玻璃的外觀顏色，而更多的開始關(guān)注玻璃的性能。而性能的提升和銀層的生長(zhǎng)息息相關(guān)。

由于銀與其他材料之間的鍵能很低，因此銀層想要達(dá)到膜厚一致，在沉積過(guò)程就需要經(jīng)歷很多中間的、不連續(xù)的階段。在開始的時(shí)候銀以核結(jié)構(gòu)的形式存在，這時(shí)紅外線反射率很低，并且紅外線反射率并不隨著銀層的有效厚度提高而增長(zhǎng)。隨著銀層厚度的持續(xù)增加，結(jié)構(gòu)由核結(jié)構(gòu)逐漸生長(zhǎng)為島狀結(jié)構(gòu)，然后形成通道、空洞，最后形成連續(xù)的薄膜（圖1）。人們將當(dāng)“通道”形成的這個(gè)點(diǎn)稱為“滲透極限”。而使用氧化鋅等材料可以適當(dāng)?shù)貙y層的滲透極限減低，這已經(jīng)被鍍膜玻璃生產(chǎn)企業(yè)所認(rèn)可，這也是生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行膜層設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的［2］。

圖1 薄膜生長(zhǎng)過(guò)程

如果銀層生長(zhǎng)的不夠光滑，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)上具有缺陷和表面粗糙，膜層中點(diǎn)電子將會(huì)發(fā)生散射，對(duì)金屬層的電阻率、遷移率及其他數(shù)據(jù)帶來(lái)明顯的影響，從而影響到銀層反射紅外線的能力。因此，通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)試儀對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，則可以判斷銀層的生長(zhǎng)質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 薄膜制備

在玻璃上直接鍍ZnO/Ag會(huì)使銀層裸露在空氣中，存放過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致膜層氧化，影響測(cè)得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此，想要分析ZnO和Ag的相對(duì)厚度對(duì)電學(xué)性能的影響，必須將ZnO/Ag放在其他結(jié)構(gòu)之中，且其他材料的厚度固定，在變化ZnO和Ag的相對(duì)厚度時(shí)，保證其他材料對(duì)整體的電學(xué)性質(zhì)的變化無(wú)較大影響。

采用磁控濺射的方法在玻璃基底上依次鍍制SiNx薄膜、ZnO薄膜、Ag薄膜、NiCr薄膜及SiNx薄膜，腔室的本底真空度為6×10-4Pa，工作氣壓保持在（2～6）×10-1Pa范圍內(nèi)。將SiNx薄膜和NiCr薄膜的厚度固定，單獨(dú)變化ZnO薄膜和Ag薄膜，ZnO薄膜的變化范圍為2～12 nm，2 nm為間隔；Ag薄膜的變化范圍為4～12 nm，同樣以2 nm為間隔，共制作30個(gè)樣品。沉積參數(shù)如表1所示。

表1 薄膜沉積參數(shù)

1.2 性能測(cè)試

采用林賽斯HCS1型霍爾效應(yīng)測(cè)試儀對(duì)薄膜進(jìn)行電學(xué)性質(zhì)的測(cè)試。測(cè)試溫度為24～26 ℃，電流為10 mA，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0～0.63 T。

2 結(jié)果與討論

將測(cè)試結(jié)果分別以ZnO和Ag為基準(zhǔn)對(duì)電阻率和遷移率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

電阻率是反映導(dǎo)體導(dǎo)電性能的物理量。電阻率小，導(dǎo)體的導(dǎo)電性能就越好。遷移率則是表征單位磁場(chǎng)強(qiáng)度下電子平均漂移的速度，也可理解為是用于衡量電荷載體在物質(zhì)內(nèi)的移動(dòng)是否順暢。載流子濃度直接決定著半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力，在這里使用這個(gè)參數(shù)旨在分析銀層的導(dǎo)電能力，并觀察條件不同是否對(duì)銀層的導(dǎo)電能力有影響。

雖然電阻率和體載流子濃度均可以反應(yīng)導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的好壞，但從物理定義上講，電阻率是受體載流子濃度和遷移率的影響。

2.1 以ZnO層厚度為分析基準(zhǔn)

以ZnO層厚度為基準(zhǔn)，分析ZnO在相同厚度的情況下，隨著Ag層厚度的增加，膜層電阻率、遷移率和體載流子濃度的變化。如圖2～圖4所示。

圖2 ZnO為基準(zhǔn)的電阻率

圖4 ZnO為基準(zhǔn)的體載流子濃度

通過(guò)對(duì)圖2和圖3的分析，當(dāng)ZnO膜為2 nm時(shí)，其ZnO膜自身呈現(xiàn)核狀或島狀，并不連續(xù)，這時(shí)的ZnO膜不能起到幫助Ag膜生長(zhǎng)的作用，因此開始時(shí)Ag膜的生長(zhǎng)也并不連續(xù)，電阻率和遷移率主要依靠Ag膜本身。而隨著Ag膜厚度的持續(xù)增加，Ag膜通過(guò)自身的生長(zhǎng)逐漸成為連續(xù)的薄膜，電阻率和遷移率也趨于穩(wěn)定。當(dāng)ZnO膜的厚度達(dá)到4 nm時(shí)，ZnO膜已經(jīng)可以幫助Ag膜生長(zhǎng)，且同時(shí)滿足ZnO膜的厚度為4 nm，Ag膜的厚度為10 nm時(shí)，膜層的電阻率和遷移率為最優(yōu)。

圖3 ZnO為基準(zhǔn)的遷移率

通過(guò)對(duì)圖4的分析，當(dāng)ZnO膜為2 nm時(shí)，Ag膜在8 nm之前成膜狀態(tài)不好，在8 nm之后，已經(jīng)形成連續(xù)薄膜。當(dāng)ZnO膜厚度大于4 nm時(shí)，對(duì)Ag膜的生長(zhǎng)已經(jīng)起到了幫助作用，并且可以看出隨著ZnO膜厚度的增大，Ag膜厚度不同，對(duì)體載流子濃度的影響并不大。

結(jié)合圖3和圖4的數(shù)據(jù)，從圖4體載流子濃度數(shù)據(jù)看出，當(dāng)Ag膜在8 nm時(shí)已經(jīng)形成了連續(xù)薄膜，再結(jié)合圖3觀察8 nm時(shí)不同ZnO膜厚度時(shí)各膜層遷移率數(shù)據(jù)，當(dāng)ZnO膜為2 nm時(shí)，對(duì)比ZnO膜為4 nm及以上時(shí)，在同樣Ag膜形成連續(xù)薄膜的情況下，其遷移率明顯更低，說(shuō)明ZnO的存在可以使膜層中電荷流動(dòng)更加順暢，從而判斷其可以幫助Ag膜更好的生長(zhǎng)，減少Ag生長(zhǎng)中產(chǎn)生的缺陷。

2.2 以Ag層厚度為分析基準(zhǔn)

以Ag層厚度為基準(zhǔn)，分析Ag在相同厚度的情況下，隨著ZnO層厚度的增加，膜層電阻率、遷移率和體載流子濃度的變化。如圖5～圖7所示。

通過(guò)對(duì)圖5和圖6的分析，隨著Ag膜厚度的增加，電阻率和遷移率均在降低，當(dāng)達(dá)到10 nm時(shí)為最低點(diǎn)，隨之?dāng)?shù)據(jù)略有上升。說(shuō)明當(dāng)Ag膜厚度為10 nm左右時(shí)，Ag膜的導(dǎo)電性能最好，這時(shí)Ag膜的缺陷最少。

圖5 Ag為基準(zhǔn)的電阻率

圖6 Ag為基準(zhǔn)的遷移率

通過(guò)對(duì)圖7的分析，無(wú)論ZnO膜厚度為多少，隨著Ag膜厚度的逐漸增大，其體載流子濃度也逐漸增加，膜層的導(dǎo)電能力也逐漸增強(qiáng)。

圖7 Ag為基準(zhǔn)的體載流子濃度

3 結(jié)論

通過(guò)采用磁控濺射的方法在玻璃基板上鍍制復(fù)合膜，在復(fù)合膜中固定其他材料的膜厚單獨(dú)研究ZnO薄膜和Ag薄膜相對(duì)厚度對(duì)電學(xué)性能的影響。在富氧狀態(tài)下生成的ZnO膜，當(dāng)ZnO膜厚度為4 nm及以上，并作為Ag膜的種子層時(shí)，可以使Ag膜生長(zhǎng)盡早成連續(xù)薄膜，并減少生長(zhǎng)中產(chǎn)生的缺陷。當(dāng)Ag膜厚度為10 nm左右時(shí)，Ag膜的導(dǎo)電性能最好，這時(shí)Ag膜的缺陷最少。同時(shí)滿足ZnO膜厚為4 nm，Ag膜厚為10 nm時(shí)，膜層的電學(xué)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)最優(yōu)。