CN101221830A - 一种透明导电薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的透明导电薄膜是镓掺杂或铝掺杂的锌镁氧薄膜，各组成的摩尔百分比含量为：铝或镓1.0～5.0％，镁1～20.0％，余量为锌，(Zn+Mg+Al)或(Zn+Mg+Ga)与O的摩尔数之比为1∶1。采用直流反应磁控溅射法，以锌镁铝或锌镁镓合金为靶材制备。本发明方法简单，掺杂量易控制，沉积系统简单、易操作、可实现大面积镀膜，与其它制备技术相比，更有利于实现工业化生产。本发明制得的镓掺锌镁氧和铝掺锌镁氧透明导电薄膜具有高透过率，良好的电光学性能，重复性和稳定性。

Description

一种透明导电薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及氧化锌透明导电薄膜的制备方法，尤其铝掺锌镁氧和镓掺锌镁氧透明导电薄膜的制备方法。

背景技术

透明导电氧化物作为一种重要的光电子信息材料，在制造发光器件、非晶硅太阳能电池、光波导、传感器和平板液晶显示器等领域得到了广泛的应用。在这类材料中，氧化锌(ZnO)薄膜是一种宽禁带(3.3eV)的n型半导体材料，易产生缺陷和进行杂质掺杂，相对于铟锡氧化物(ITO)和SnO₂而言，具有价格便宜，原料丰富、无毒，沉积温度相对较低和在氢等离子体环境中稳定性好等优点，是一种最有希望替代ITO的材料。通过掺B，Al，Ga，In，F等能使其电导率提高一到两个数量级.。在所有金属掺杂元素中，Al和Ga被认为是最有前途的掺杂元素。此外，Mg的掺杂可提高ZnO的禁带宽度。在ZnO紫外光发射二极管中，n-ZnMgO透明导电薄膜可用作阻挡层来提高ZnMgO同质结中电子-空穴的再复合效率。但是，目前掺铝锌镁氧和掺镓锌镁氧透明导电薄用在LED上的研究还没有引起人们的注意，如今还没有这方面的研究报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝掺锌镁氧或镓掺锌镁氧透明导电薄膜及其制备方法。

本发明的透明导电薄膜是镓掺杂或铝掺杂的锌镁氧薄膜，各组成的摩尔百分比含量为：

铝或镓    1.0～5.0％

镁        1～20.0％

余量为锌，上述组分含量之和为100％，(Zn+Mg+Al)或(Zn+Mg+Ga)与O的摩尔数之比为1∶1。

本发明的透明导电薄膜的制备方法，步骤如下：

将衬底清洗后直接放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至3×10^-3Pa，以锌镁铝或锌镁镓合金为靶材，铝或镓摩尔百分含量为1.0～5.0％，镁摩尔百分含量为1～20.0％，以纯Ar和纯O₂作为溅射气体输入反应室，Ar∶O₂＝2∶1～8∶1，在0.5～2.0Pa压强下，于200～350℃下进行溅射生长。

上述的衬底可以是玻璃或石英或塑料或有机柔性衬底或硅片或蓝宝石。所述的Ar的纯度为99.99％以上，氧的纯度为99.99％以上。

本发明以O₂作为氧源，Ar作为辅助溅射气体。溅射过程中，溅射原子(Zn、Ga或者Al)在Ar的保护下与O₂发生反应，在衬底上沉积形成Ga掺或Al掺的高透明高导电ZnMgO薄膜。

本发明通过改变Ar和O₂的分压比可以改变掺铝或掺镓量。薄膜厚度由生长时间决定。

本发明的有益效果在于：本发明方法简单，使用的是合金靶材，掺杂量易控制，沉积系统简单、易操作、可实现大面积镀膜，与其它制备技术相比，更有利于实现工业化生产。本发明制得的镓掺锌镁氧和铝掺锌镁氧透明导电薄膜具有高透过率，良好的电光学性能，重复性和稳定性。

附图说明

图1是镓掺锌镁氧透明导电薄膜的X射线衍射(XRD)图谱；

图2是镓掺锌镁氧透明导电薄膜的光学透射谱。

具体实施方式

实施例1

将玻璃衬底清洗后放于直流反应磁控溅射装置反应室的样品架上，衬底沉积表面朝下放置，可有效防止颗粒状的杂质对衬底表面的玷污，反应室真空度抽至3×10^-3Pa，以锌镁镓合金为靶材，镓的摩尔百分含量为5.0％，镁的摩尔百分含量为10％，以纯度为99.99％的Ar和纯度为99.99％的O₂作为溅射气体，将两种气体分别由流量计控制输入反应室，Ar∶O₂＝4∶1，反应室的压强为1.5Pa。在100W的功率开始溅射，衬底温度为300℃，生长时间10min，得到厚约500nm的透明导电薄膜。

制备的镓掺锌镁氧透明导电薄膜在室温下具有优异的电光性能，此实施例中，薄膜电阻率为4.6×10^-4Ω.cm，霍耳迁移率为7.5cm²/V.s，电子载流子浓度为1.82×10²¹cm^-3，可见光平均透射率为90％及以上，并且放置一年其电光特性无明显变化，性能稳定，是一种优良的高透明高导电的氧化锌薄膜。

上述薄膜的X射线衍射(XRD)图谱，见图1，只有ZnO的(002)和(004)衍射峰出现，表明本发明方法制备的镓掺锌镁氧透明导电薄膜具有良好的结晶性能。

图2所示为上述薄膜的光学透射谱。由图可见，在可见光区的平均透射率达90％及以上(不含衬底)，表明本发明方法制备的镓掺锌镁氧透明导电薄膜具有良好的光学性能。

实施例2

将硅片衬底清洗后放于直流反应磁控溅射装置反应室的样品架上，衬底沉积表面朝下放置，可有效防止颗粒状的杂质对衬底表面的玷污，反应室真空度抽至3×10^-3Pa，以锌镁铝合金为靶材，铝的摩尔百分含量为1.0％，镁的摩尔百分含量为1％，以纯度为99.99％的Ar和纯度为99.99％的O₂作为溅射气体，将两种气体分别由流量计控制输入反应室，Ar∶O₂＝8∶1，反应室的压强为2.0Pa。在100W的功率开始溅射，衬底温度为200℃，生长时间10min，得到厚约500nm的透明导电薄膜。

制备的铝掺锌镁氧透明导电薄膜在室温下具有优异的电光性能，此实施例中，薄膜电阻率为5.0×10^-4Ω·cm，霍耳迁移率为7.8cm²/V.s，电子载流子浓度为1.6×10²¹cm^-3，可见光平均透射率为90％及以上。

Claims (4)

1.一种透明导电薄膜，其特征在于它是镓掺杂或铝掺杂的锌镁氧薄膜，各组成的摩尔百分比含量为：

铝或镓    1.0～5.0％

镁        1～20.0％

余量为锌，上述组分含量之和为100％，(Zn+Mg+Al)或(Zn+Mg+Ga)与O的摩尔数之比为1∶1。

2.据权利要求1所述的透明导电薄膜的制备方法，其特征是步骤如下：

将衬底清洗后直接放入直流反应磁控溅射装置的反应室中，反应室真空度抽至3×10^-3Pa，以锌镁铝或锌镁镓合金为靶材，铝或镓摩尔百分含量为1.0～5.0％，镁摩尔百分含量为1～20.0％，以纯Ar和纯O₂作为溅射气体输入反应室，Ar∶O₂＝2∶1～8∶1，在0.5～2.0Pa压强下，于200～350℃下进行溅射生长。

3.根据权利要求2所述的透明导电薄膜的制备方法，其特征是所说的衬底为玻璃或石英或塑料或有机柔性衬底或硅片或蓝宝石。

4.根据权利要求2所述的透明导电薄膜的制备方法，其特征是Ar的纯度为99.99％以上，氧的纯度为99.99％以上。

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