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铟锡氧化程度对ITO薄膜光电特性的影响

来源：小奈知识网

第22卷　第4期

2007年8月

液　晶　与　显　示

ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplays

Vol122,No14Aug.,2007

文章编号:100722780(2007)0420398204

铟锡氧化程度对ITO薄膜光电特性的影响

江锡顺1,曹春斌2,宋学萍3,孙兆奇3

(1.滁州学院电子信息工程系,安徽滁州　239012,E2mail:jxs915@126.com;2.安徽农业大学理学院,安徽合肥　230036;　3.安徽大学物理与材料科学学院,安徽合肥　230039)

摘　要:采用直流磁控溅射法在普通载玻片上制备了氧化铟锡透明导电薄膜(ITO)。制备出的薄膜在大气环境下退火,退火温度分别为100℃、200℃和300℃,保温时间为1h。对薄膜中铟锡原子的氧化程度及其光电特性进行了测试与分析。结果表明:退火温度的升高,有助于提高ITO薄膜中Sn原子氧化程度,从而提高了薄膜在可见光范围内的透射率;退火温度为200℃时,In原子氧化程度较高,薄膜中氧空位数量最多,电阻率最低为6.2×10-3Ω・cm。关　键　词:ITO薄膜;磁控溅射;氧化程度;光电特性中图分类号:O484.4　　　文献标识码:A

1　引　　言

氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜因其具有带隙宽(3.5～4.3eV)、可见光透射率高(大于80%)和电阻率低(10-3Ω・cm以下)等优异的光电性能,已广泛应用于液晶显示(LCD)、等离子显示(PDP)和除霜玻璃等诸多领域[1～5]。制备ITO

影响。

2　实　　验

2.1　ITO薄膜的制备

采用JGP560I型超高真空多功能磁控溅射仪沉积ITO薄膜,基片为普通载玻片。镀膜时,基片温度为室温,ITO靶材采用纯度为99.99%的氧化铟锡陶瓷靶(质量分数为90%的In2O3+质量分数为10%的SnO2),真空室本底真空度为6.0×10-4Pa,靶基距为60mm,溅射氩气压为1Pa,溅射电压为320V,溅射电流为0.14A,溅

薄膜的工艺很多,常见的有磁控溅射[1,2]、化学气相沉积[6]、真空蒸发[7]和溶胶凝胶[8,9]等等。理论计算和实验研究都表明ITO薄膜最佳掺杂含量为10%(质量分数)[10,11]。有关ITO薄膜的沉积工艺、工艺参数以及Sn掺杂量的研究,已有众多报道,但关于铟锡氧化程度对其光电特性的影响尚未见深入的探讨。ITO薄膜导电机理为Sn4+替代氧空位,Sn和In的化学状态对ITO薄

射时间为2.5min。经RAP2I型全自动椭圆偏振光谱仪测试计算,膜厚约为120nm。

沉积于载玻片上的ITO薄膜在大气中进行退火,退火温度分别为100℃、200℃和300℃,保温时间为1h,采取自然冷却至室温。2.2　分析与测试2.2.1　化学组分分析

膜的光电特性影响很大,其中Sn4+替换In2O3晶格中的In3+可以提供一个电子给导带,高价态的Sn可以提高载流子浓度,ITO薄膜的导电性得到

了提高,而氧空位可以提供两个空穴导电[12]。膜厚一定时,锡的氧化程度对ITO薄膜的透射率影响较大,而其电阻率更大程度上取决有薄膜中氧空位数量的多少。本文采用直流磁控溅射法制备ITO薄膜,研究了铟锡氧化程度对其光电特性的

　　收稿日期:2007204206;修订日期:2007205205

实验中以XPS(X2rayPhotoelectronSpec2

troscopy)分析ITO薄膜的化学组分。X射线光电子能谱仪型号为ThermoESCALAB250,X射ν=1253.6eV),加速电压为线源为MgKα(h15kV,电流为12mA,真空度为10-6Pa,全谱扫

　　基金项目:国家自然科学基金(No.59972001);安徽省自然科学基金(No.01044901);安徽省人才专项基金(No.2004Z029);安徽大

学人才队伍建设基金;滁州学院科研项目(No.2007ky041)

第4期江锡顺,等:铟锡氧化程度对ITO薄膜光电特性的影响399　

描步进为1eV,分谱扫描步进为0.05eV。2.2.2　透射率测试

实验采用日本ShimadzuUV2265型紫外2可见分光光度计测量ITO薄膜的透射率。实验中将未镀膜玻璃的透射曲线为参比,再将镀膜玻璃放在样品测试架上进行扫描,将两者相比即可得到ITO薄膜的透射率曲线。扫描镀膜玻璃的参数与扫描参比玻璃的参数相同:狭缝宽度为1nm,波长扫描范围为300～800nm,响应时间为1min。2.2.3　电阻率测试

度下制备的ITO薄膜Sn3d5/2和In3d5/2光电子谱

峰分峰结果,Sn3d5/2和In3d5/2分别分解成Sn3d5/2(Ⅰ)、Sn3d5/2(Ⅱ)与In3d5/2(Ⅰ)、In3d5/2(Ⅱ)。

)和In3d5/2(Ⅰ)对应ITO薄膜中其中Sn3d5/2(Ⅰ

)对应ITO薄膜Sn4+和In3+高价部分,Sn3d5/2(Ⅱ

中Sn和In的低价氧化物。由图1可以计算出ITO薄膜中Sn4+和In3+

的相对浓度(Sn4+的原子数分数/Sn的原子数分数,In3+的原子数分数/In的原子数分数),结果如表1所示。

表1　不同退火温度下ITO薄膜中Sn4+和In3+相对浓度

(大气中退火1.0h)

Table1　Sn4+andIn3+concentrationinITOfilmsat

differenttemperatures

)退火温度(℃

100200300

Sn4+相对浓度(%)

48.771.986.9

In3+相对浓度(%)

61.758.567.1

实验采用SZ282型四探针测试仪测量ITO薄膜的表面电阻,利用公式ρ=Rd可计算薄膜的电阻率。

3　测试结果与讨论

为讨论Sn和In氧化程度对ITO薄膜光电特性的影响,将ITO薄膜的Sn3d5/2和In3d5/2光电子谱峰分别做分峰处理。图1是对不同退火温

由表1可以看出随着退火温度的升高,薄膜

中的Sn4+浓度逐渐增加,而In3+浓度则表现为先降低后升高。这是因为退火温度的升高,有助于薄膜中In和Sn原子与大气中的氧进一步反应,生成符合化学计量比的氧化物。当退火温度为200℃时In3+相对浓度最低,说明此时薄膜中有很多In原子以较低价态存在。由于In2O3与SnO2重量比为9∶1,可以判断出在此温度下退火的薄膜中氧空位数量较多。3.1　Sn氧化程度对薄膜光学特性的影响

图2给出了ITO薄膜可见光(390～760nm)

图1　不同退火温度下ITO薄膜的Sn3d5/2和In3d5/2光电

子能谱

Fig11　PhotoelectronpeaksofSn3d5/2andIn3d5/2ofITO

filmsatdifferenttemperatures

图2　ITO薄膜平均透射率与Sn4+相对浓度

Fig12　MeantransmittanceofITOfilmsvsSn4+concen2

tration

400　液　　晶　　与　　显　　示第22卷

平均透射率随薄膜中Sn4+相对浓度的变化曲线。从图中可以看出,Sn的氧化程度越高,薄膜的透射率越大。ITO薄膜的透射率与薄膜中铟锡原子的氧化程度和晶粒对可见光的散射程度有关。对于磁控溅射制备的薄膜,致密性较好,在膜厚一定时,薄膜的透射率主要取决于金属原子的氧化程度。退火温度为100℃和200℃时,薄膜中的低价氧化物(SnO和Sn3O4)颜色较暗,且百分含量较大,从而影响了ITO薄膜的透射率。3.2　In氧化程度对薄膜电学特性的影响ITO薄膜的电阻率与膜中载流子(电子)浓度和迁移率有关。电子电阻率ρ的大小由下式决定:

ρ=

μnce

)Sn4+相对浓度很大此时(退火温度为300℃

(86.9%),因而薄膜的电阻率也较低。

1图3　ITO薄膜电阻率与In3+相对浓度

Fig13　ResistivityofITOfilmsvsIn3+concentration

式中:nc为电子浓度,e为电子电荷,μ为载流子(电子)的迁移率[11]。薄膜中载流子的迁移率很低,其低的电阻率主要是由于高的载流子浓度的缘故。Sn掺杂可以提供一个电子给导带,而形成氧空位后可以提供两个空穴,从而使电阻率降低。ITO薄膜的电阻率主要与薄膜中氧空位的数量

4　结　　论

采用直流磁控溅射法制备了氧化铟锡透明导电薄膜。用XPS、紫外2可见分光光度计和四探针测试仪等实验技术研究了薄膜中铟锡原子的氧化程度和光电特性之间的关系。研究发现ITO薄膜中铟锡氧化程度对其光电特性影响较大,薄膜的透射率主要取决于膜中的Sn4+相对浓度,当Sn4+相对浓度为86.9%时,薄膜的可见光平均

有关,而氧空位的数量很大程度决定于膜中In的氧化程度。

图3为ITO薄膜的电阻率随In3+相对浓度的变化曲线。从图中看出,当In3+相对浓度为

58.5%时,薄膜的电阻率最低,为6.2×10-4Ω・cm。这是由于此时薄膜中大量的O2-脱离In2O3晶格,使In较多地以低价化合物(In2O3-x)存在于薄膜中,造成膜中空位数量较大。当In3+相对浓度增加到67.1%时,薄膜中氧空位数量较少,但

透射率高达91.5%。而In3+相对浓度的增加,会引起膜中氧空位含量减少,造成电阻率的升高。这些结果表明,当ITO薄膜的厚度一定时,其光电特性主要取决于膜中铟锡原子的氧化程度。

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EffectofIndiumandTinOxidationon

PhotoelectricBehaviorofITOFilms

JIANGXi2shun1,CAOChun2bin2,SONGXue2ping3,SUNZhao2qi3

(1.ElectronicEngineeringDepartment,ChuzhouUniversity,Chuzhou　239012,China,E2mail:jxs915@126.com;

2.SchoolofScience,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei　230036,China;3.SchoolofPhysics&MaterialScience,AnhuiUniversity,Hefei　230039,China)

Abstract

Indium2tin2oxide(ITO)filmswerepreparedonglassbydirectcurrent(DC)magnetronsputte2).Thering.Afterdeposition,thefilmswereannealedintheairfor1hatdifferenttemperatures(100～300℃indiumandtinoxidationandphotoelectricpropertiesofthefilmswerestudiedanddiscussed.TheresultsshowthatmeantransmittanceincreaseswithSn4+concentrationinthefilmsincreasing.Mean2whileminimumelectricalresistanceof6.2×10-4Ω・cmcanbeobtainedafterannealingat200℃for1hintheair.

Keywords:ITOfilms;magnetronsputtering;oxidation;photoelectricproperties

作者简介:江锡顺(1980-),男,安徽贵池人,讲师,硕士,师承孙兆奇教授,从事功能薄膜材料的研究。

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