CN101188149A - 一种Ge掺杂的AZO透明导电膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ge掺杂的AZO透明导电膜及其制备方法，该透明导电膜是采用射频磁控溅射共沉积制备在玻璃基片上的。Ge掺杂的AZO透明导电膜由0.5～2.5wt％的Ge、1.05wt％的Al、86.3wt％的Zn和余量O组成。本发明透明导电膜的室温电阻率为7～8×10^－4Ω·cm，在400～800nm可见光范围内平均透过率达到80～90％。经本发明射频磁控溅射共沉积方法制得的透明导电膜，通过掺杂Ge单质并没有改变ZnO的晶体结构，且具有良好的(002)晶体取向。

Description

一种Ge掺杂的AZO透明导电膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电膜及其该导电膜的制备方法，更特别地说，是指一种在玻璃基片上采用射频磁控溅射共沉积工艺将Ge、Zn、Al和O沉积在基片上。

背景技术

透明导电氧化物(TCO)属于半导体光电子材料，由其制得的TCO薄膜具有较高的禁带宽度而显现出在紫外截止、可见光高度透明、红外区的高度反射及较低的电阻率等特性。这些特性决定其在太阳能电池、液晶显示器等诸多方面有着十分广阔的应用。

ZnO基TCO薄膜具有成本低、无毒、稳定性高等特点，引起了广泛关注。纯ZnO是宽禁带(约3.2ev)直接带隙半导体，具有0.1～10Ω·cm较高的电阻率。为了改善纯ZnO的导电性，可以通过掺杂Al元素来提高ZnO材料的载流子浓度，从而改善导电性能。将掺杂有Al元素的ZnO制成的薄膜(即AZO薄膜)，其导电性能为0.9～2×10^-3Ω·cm。由于AZO薄膜在使用时间较长时会出现导电性能不稳定，造成AZO薄膜失效。

目前，制备AZO薄膜一般采用溶胶-凝胶法，溶胶-凝胶法虽然易于控制组分变化，但在制膜过程中AZO薄膜容易产生气孔缺陷，造成AZO薄膜疏松，导致其导电性能差。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用射频磁控溅射共沉积工艺制备出具有高导电性、高可见光透过率的Ge掺杂的AZO透明导电膜。

本发明是一种Ge掺杂的AZO透明导电膜，该透明导电膜是沉积在玻璃基片上的，其由0.5～2.5wt％的Ge、1.05wt％的Al、86.3wt％的Zn和余量O组成。

所述的透明导电膜具体成分由1.24wt％的Ge、1.05wt％的Al、86.3wt％的Zn和余量O组成，或者由0.5wt％的Ge、1.05wt％的Al、86.3wt％的Zn和余量O组成。

本发明Ge掺杂的AZO透明导电薄膜优点在于：(1)通过选择合适的Ge掺杂量及与AZO薄膜的组合沉积，制备出具备高导电性和高可见光透过率的薄膜；(2)本发明透明导电膜在室温25℃时的电阻率为7～8×10^-4Ω·cm；(3)本发明透明导电膜在400～800nm可见光范围内平均透过率达到80～90％；(4)通过掺杂Ge单质并没有改变ZnO的晶体结构，且具有良好的(002)晶体取向。

本发明制备透明导电薄膜方法的优点在于：(1)采用射频磁控溅射共沉积制备薄膜，制备过程简单，工艺条件参数可控；(2)制备过程中，通过控制Ge，可以方便控制薄膜中Ge的掺杂量，进而调节薄膜的载流子浓度和禁带宽度，改善导电性和可见光透过率；(3)制得的薄膜附着力好，表面致密完整，稳定性好。

附图说明

图1是750nm厚的Ge含量为0.96～1.36wt％的AZO透明导电膜的电阻率变化曲线。

图2是750nm厚的Ge含量为0.96～1.36wt％的AZO透明导电膜的可见光透过率变化曲线。

图3是750nm厚的Ge含量为1.24wt％的AZO透明导电膜的晶体取向。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种Ge掺杂的AZO透明导电膜，该透明导电膜是沉积在玻璃基片上的，该透明导电膜由0.5～2.5wt％的Ge、1.05wt％的Al、86.3wt％的Zn和余量O组成。

一种采用射频磁控溅射共沉积制备的Ge掺杂的AZO透明导电膜的方法，其有如下步骤：

第一步：基片前处理

选取玻璃片，并将其在95％丙酮中进行超声波清洗5～15min后，再在99％酒精中进行超声波表面清洗5～15min，然后吹干获得基片；

第二步：选取靶材

选取ZnO靶材，所述ZnO靶材中含有2wt％的Al₂O₃，即第一靶材；

选取纯度为99.999％的Ge片，即第二靶材，待用；

第三步：射频磁控溅射制膜

先将第一步获得的基片安装在磁控溅射仪的阳极板上；

再将第二步选取的第一靶材、第二靶材放入磁控溅射仪中作为阴极；

然后调节沉积工艺参数在基片上制备Ge掺杂的AZO透明导电膜；

沉积工艺参数：磁控溅射仪中真空度为5×10^-4Pa；

溅射气氛为纯氩气，分压为8Pa；

溅射功率为100～150W、自偏压在200～220V；

溅射时间为600～3000s。

实施例1：制750nm厚的Ge含量为1.24wt％的AZO透明导电膜

第一步：基片前处理

选取15mm×5mm×0.9mm普通玻璃片，并将其在95％丙酮中进行超声波清洗10min后，再在99％酒精中进行超声波表面清洗10min，然后吹干获得基片；

第二步：选取靶材

选取φ60mm×5mm的ZnO靶材，所述ZnO靶材中含有2wt％的Al₂O₃，，即第一靶材；

选取纯度为99.999％的1mm×1mm×0.2mm的Ge片，即第二靶材，待用；

第三步：射频磁控溅射制膜

先将第一步获得的基片安装在磁控溅射仪(中国沈阳仪器研制中心有限公司JGP560BV型超高真空多靶磁控溅射镀膜机)的阳极板上；

再将第二步选取的第一靶材、第二靶材放入磁控溅射仪中作为阴极；

然后调节沉积工艺参数，采用射频磁控溅射共沉积工艺在基片上制备Ge掺杂的AZO透明导电膜；

沉积工艺参数：磁控溅射仪中真空度为5×10^-4Pa；

溅射气氛为纯氩气，分压为8Pa；

溅射功率为150W、自偏压在220V；

溅射时间为1800s。

将经第三步处理后的基片取出，经OXFORD LINK能谱仪测试，其基片表面沉积有1.24wt％的Ge、86.3wt％的Zn、1.05wt％的Al和余量O组成。

将玻璃基片上制备有750nm厚的Ge掺杂AZO的透明导电膜采用四探针测电阻的方法测试其25℃室温电阻率为8×10^-4Ω·cm。

将玻璃基片上制备有750nm厚的Ge掺杂的AZO透明导电膜采用X射线衍射分析表明，本发明Ge掺杂的AZO透明导电膜具有良好的(002)晶体学取向，没有改变ZnO的晶体取向，参见图3所示。

按照实施例1的制备方法，继续制备Ge含量分别为0％、0.96wt％、1.14wt％、1.36wt％的AZO透明导电膜。请参见图1、图2所示，图中表明了该透明导电膜随Ge掺杂含量的不同其电阻率以及透光率的变化情况。

如图1所示，随锗(Ge)含量的变化，薄膜电阻率在锗含量1.24wt％附近出现最低值(电阻率为8×10^-4Ω·cm)，本发明人认为，1.24wt％是掺杂锗(Ge)以实现电阻率降低最合适的掺杂量。

从图2可以看到，未掺杂锗(Ge)的薄膜(即AZO薄膜)可见光透过率最低，平均透过率为90.6％(⑤号线)，随锗(Ge)的掺杂，可见光范围透光率有明显改善，平均透过率达到93.6～94％(①、②、③号线)，而掺杂锗(Ge)含量达到1.36wt％时(④号线)，透光率又有所下降为92％。

实施例2：制500nm厚的Ge含量为0.5wt％的AZO透明导电膜

第一步：基片前处理

选取15mm×5mm×0.9mm普通玻璃片，并将其在95％丙酮中进行超声波清洗5min后，再在99％酒精中进行超声波表面清洗5min，然后吹干获得基片；

第二步：选取靶材

选取φ60mm×5mm的ZnO靶材，所述ZnO靶材中含有2wt％的Al₂O₃，即第一靶材；

选取纯度为99.999％的1mm×1mm×0.2mm的Ge片，即第二靶材，待用；

第三步：射频磁控溅射制膜

先将第一步获得的基片安装在磁控溅射仪(中国沈阳仪器研制中心有限公司JGP560BV型超高真空多靶磁控溅射镀膜机)的阳极板上；

再将第二步选取的第一靶材、第二靶材放入磁控溅射仪中作为阴极；

然后调节沉积工艺参数，采用射频磁控溅射共沉积工艺在基片上制备Ge掺杂的AZO透明导电膜；

沉积工艺参数：磁控溅射仪中真空度为5×10^-4Pa；

溅射气氛为纯氩气，分压为8Pa；

溅射功率为100W、自偏压在200V；

溅射时间为2100s。

将经第三步处理后的基片取出，经OXFORD LINK能谱仪测试，其基片表面沉积有0.5wt％的Ge、86.3wt％的Zn、1.05wt％的Al和余量O组成。

将玻璃基片上制备有500nm厚的Ge掺杂的AZO透明导电膜采用四探针测电阻的方法测试其25℃室温电阻率为15.7×10^-4Ω·cm。

将玻璃基片上制备有制500nm厚的Ge掺杂的AZO透明导电膜采用X射线衍射分析表明，本发明Ge掺杂的AZO透明导电膜具有良好的(002)晶体学取向，没有改变ZnO的晶体取向。

本发明的透明导电膜是在AZO薄膜中掺入Ge浅能级杂质，形成共价键。由于杂质价电子数比Zn多，形成弱束缚电子，在较低能量激发下即可成为自由电子，大大提高载流子浓度，改善其导电性能。同时，通过掺入Ge杂质，进一步提高薄膜禁带宽度(3.3～3.4ev)，从而提高其可见光透过率。

Claims (5)

1.一种Ge掺杂的AZO透明导电膜，该透明导电膜是沉积在玻璃基片上的，其特征在于：该透明导电膜由0.5～2.5wt％的Ge、1.05wt％的Al、86.3wt％的Zn和余量O组成。

2.根据权利要求1所述的Ge掺杂的AZO透明导电膜，其特征在于：透明导电膜由1.24wt％的Ge、1.05wt％的Al、86.3wt％的Zn和余量O组成。

3.根据权利要求1所述的Ge掺杂的AZO透明导电膜，其特征在于：透明导电膜由0.5wt％的Ge、1.05wt％的Al、86.3wt％的Zn和余量O组成。

4.根据权利要求1所述的Ge掺杂的AZO透明导电膜，其特征在于：透明导电膜的室温电阻率为7～8×10^-4Ω·cm；在400～800nm的可见光范围内平均透过率为80～90％，且具有良好的(002)晶体取向。

5.一种采用射频磁控溅射共沉积制备如权利要求1所述的Ge掺杂的AZO透明导电膜的方法，其特征在于有如下步骤：

第一步：基片前处理

选取玻璃片，并将其在95％丙酮中进行超声波清洗5～15min后，再在99％酒精中进行超声波表面清洗5～15min，然后吹干获得基片；

第二步：选取靶材

选取ZnO靶材，所述ZnO靶材中含有2wt％的Al₂O₃，即第一靶材；

选取纯度为99.999％的Ge片，即第二靶材，待用；

第三步：射频磁控溅射制膜

先将第一步获得的基片安装在磁控溅射仪的阳极板上；

再将第二步选取的第一靶材、第二靶材放入磁控溅射仪中作为阴极；

然后调节沉积工艺参数在基片上制备Ge掺杂的AZO透明导电膜；

沉积工艺参数：磁控溅射仪中真空度为5×10^-4Pa；

溅射气氛为纯氩气，分压为8Pa；

溅射功率为100～150W、自偏压在200～220V；

溅射时间为600～3000s。

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