CN101709453A - 室温条件下制备Al掺杂ZnO透明导电薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的室温条件下制备Al掺杂ZnO透明导电薄膜的方法，采用的是直流反应磁控溅射法，将衬底清洗后放入反应室中，反应室真空度抽至高于2.0×10^-3Pa，以纯Ar和纯O₂作为溅射气氛，气体总压强为0.5～1.5Pa，Ar和O₂分压比由质量流量计控制为100∶2～100∶10，以Zn-Al合金为靶材，靶材中Al的原子百分含量为3～5％，溅射功率130～150W，在室温下生长，得到Al掺杂ZnO透明导电薄膜。本发明方法成本低廉、工艺简单，无需加热，对衬底无损伤，制得的ZnO:Al薄膜具有良好的光学和电学性能，适合大规模生产和工业化应用。

Description

室温条件下制备Al掺杂ZnO透明导电薄膜的方法

技术领域

本发明属于光电信息材料技术领域，特别是涉及一种室温条件下制备ZnO透明导电薄膜的方法。

背景技术

透明导电氧化物(TCO)薄膜是一种多功能的光电信息材料，广泛应用于薄膜太阳能电池、平面显示器、光波导、传感器、电磁屏蔽、节能保温玻璃以及电发热膜等领域。现在最常用的透明导电薄膜是ITO(In₂O₃:Sn)薄膜。但是ITO价格昂贵，且In有毒，会污染环境，对人体健康造成危害，另外，ITO薄膜在氢等离子体环境中不稳定，ITO的这些缺陷迫使研究人员寻找新的薄膜体系。近几年研究较多的是ZnO薄膜体系中的Al掺杂ZnO(ZnO:Al)薄膜，简称为AZO薄膜，具有与ITO薄膜相当的光电性能，另一方面，较之ITO薄膜，AZO具有价格低廉，环境友好，在氢离子体环境中性能稳定等优点，是一种最有希望替代ITO薄膜的材料。

ZnO:Al透明导电薄膜可以通过多种方法制备，如分子束外延、化学气相沉积、脉冲激光沉积、热蒸发、溅射、溶胶-凝胶、喷雾热分解等技术。利用上述技术虽然能够获得光电性能良好的ZnO:Al透明导电薄膜，但是ZnO:Al薄膜生长均是采用加热衬底的方式，生长温度通常在250～500℃。这存在以下问题，一方面，ZnO:Al薄膜较高的生长温度与很多器件工艺不兼容，很多器件要求透明导电薄膜应具有较低的制备温度，如薄膜太阳能电池要求其低于150℃；另一方面，ZnO:Al薄膜较高的生长温度也不能满足柔性器件制备的要求，如柔性可弯曲显示器等以有机聚合物材料作为衬底，加热温度通常要低于120℃。因而，为了使ZnO:Al薄膜获得广泛应用，必须降低其生长温度，实现ZnO:Al薄膜的低温生长，特别是室温生长。

在室温条件下制备ZnO:Al透明导电薄膜是最佳选择，不仅能够满足器件制备的工艺要求，而且也使得工业化生产过程简单化，降低成本，节能减耗，有利于大规模生产和推广应用。但是ZnO:Al透明导电薄膜的室温生长存在一个很大的科技难题，由于铝易于与氧结合形成Al₂O₃氧化物或AlO_x(x＜1.5)不完全氧化物，在ZnO中形成第二相，因而室温下通常难以实现Al的有效掺杂，所得的ZnO:Al薄膜光电性能很差。目前国内外尚没有解决这一问题。在室温条件下制备ZnO:Al透明导电薄膜意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在室温条件下制备出具有优良光电性能的Al掺杂ZnO透明导电薄膜的方法。

本发明的室温条件下制备Al掺杂ZnO透明导电薄膜的方法，采用的是直流反应磁控溅射法，将衬底清洗后放入反应室中，反应室真空度抽至高于2.0×10^-3Pa，以纯Ar和纯O₂作为溅射气氛，气体总压强为0.5～1.5Pa，Ar和O₂分压比由质量流量计控制为100∶2～100∶10，以Zn-Al合金为靶材，靶材中Al的原子百分含量为3～5％，溅射功率130～150W，在室温下生长，得到Al掺杂ZnO透明导电薄膜。

Al掺杂ZnO透明导电薄膜的厚度由生长时间决定。

本发明中，所说的合金靶材中Zn和Al纯度分别为99.99％以上。Ar和O₂纯度分别为99.99％以上。

本发明中，所说的衬底是硅或蓝宝石或石英或玻璃或有机聚合物，有机聚合物衬底可以是聚苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯对苯二甲酯、聚丙烯己二脂、聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜或尼龙。

本发明的优点是：

1)薄膜生长过程在室温条件下进行，无需加热设施，可降低生产能耗，降低产品成本。

2)薄膜生长过程与器件制备工艺相兼容，且易于实现大面积均匀沉积，操作简单，适合于工业化生产。

3)利用直流反应磁控溅射法以Zn-Al合金为靶材，易于实现Al的有效掺杂，能够实现ZnO:Al薄膜低的电阻率、强的附着力和良好的光电性能。

4)ZnO:Al透明导电薄膜的结构、光学和电学性能可以通过控制靶材中的Al含量、生长气氛的总压强、Ar-O₂分压比和溅射功率来予以实时可控调节。

5)室温条件下制备ZnO:Al透明导电薄膜，使ZnO:Al薄膜满足器件制备的工艺要求，可以获得广泛应用，其中包括在柔性器件中的应用。

附图说明

图1是根据本发明方法采用的直流反应磁控溅射装置示意图。图中1和2分别为Ar和O₂的进气管路；3为质量流量计；4和5为靶槽；6为衬底架；7为挡板；8为观察窗；9为抽气泵系统。

图2是ZnO:Al薄膜的光学透射谱。

图3是ZnO:Al薄膜的x射线衍射(XRD)图谱。

图4是ZnO:Al薄膜的扫描电镜(SEM)照片。

具体实施方式

以下结合附图及实例对本发明方法作进一步的说明。

实施例1

将Zn-Al合金靶材安装在靶槽4或5上，Zn和Al的纯度均为99.99％，靶材中Al的原子百分含量为4％。以玻璃为衬底，经清洗吹干后，安装在衬底架6上。将反应室的真空抽至1.8×10^-3Pa，然后将纯度均为99.99％的Ar和O₂分别通过进气管路1和2输入到反应室，作为生长气氛，气体分压比由质量流量计3控制为100∶3，调整气体流量，使反应室气体总压强为0.7Pa。待气流稳定后，开始预溅射，预溅射时间为10min，此时辉光放电稳定；接着旋开挡板7，开始溅射生长过程，生长在室温下进行，即衬底不加热，溅射功率为140W，溅射时间为10min。

制得的ZnO:Al薄膜，厚度约为250nm，经Hall测试，电阻率为7.1×10^-3Ω·cm，电子浓度为1.38×10²⁰cm^-3，迁移率为6.33cm²·V^-1·s^-1，显示本发明方法制得的ZnO:Al薄膜具有良好的电学特性。

图2所示为上述薄膜的光学透射谱。具有很陡的基本吸收边，可见光区平均透射率为90.55％，显示本发明方法制得的ZnO:Al薄膜具有良好的光学特性。

图3所示为上述薄膜的XRD图谱。由图可见，只有ZnO的(002)和(004)衍射峰出现，薄膜具有高度c轴择优取向，无第二相出现，显示本发明方法制得的ZnO:Al薄膜具有良好的晶体质量。

图4所示为上述薄膜的SEM图。由图可见，所得薄膜表面平整，晶粒尺寸均一，无第二相，无孔洞和缺陷，无裂纹，有很好的附着力，显示本发明方法制得的ZnO:Al薄膜结晶性能良好。

实施例2

将石英衬底清洗后放入反应室中，反应室真空度抽至1.8×10^-3Pa，以纯度均为99.99％的Ar和O₂作为溅射气氛，Ar和O₂分压比为100∶8，气体总压强为1.0Pa，以Zn-Al合金为靶材，靶材中Al的原子百分含量为3.5％，溅射功率150W，溅射时间为10min，在室温下生长，得到Al掺杂ZnO透明导电薄膜。

制得的ZnO:Al薄膜，厚度约为260nm，经Hall测试，电阻率为8.836×10^-3Ω·cm，电子浓度为1.05×10²⁰cm^-3，迁移率为6.72cm²·V^-1·s^-1，可见光区平均透射率为90.24％。

综上，利用本发明方法，在室温条件下制备的ZnO:Al薄膜为晶体薄膜，是一种典型的透明导电氧化物薄膜，具有良好的光学和电学性能，可以获得广泛应用。

Claims (5)

1.室温条件下制备Al掺杂ZnO透明导电薄膜的方法，其特征在于采用的是直流反应磁控溅射法，将衬底清洗后放入反应室中，反应室真空度抽至高于2.0×10^-3Pa，以纯Ar和纯O₂作为溅射气氛，气体总压强为0.5～1.5Pa，Ar和O₂分压比由质量流量计控制为100∶2～100∶10，以Zn-Al合金为靶材，靶材中Al的原子百分含量为3～5％，溅射功率130～150W，在室温下生长，得到Al掺杂ZnO透明导电薄膜。

2.根据权利要求1所述的室温条件下制备Al掺杂ZnO透明导电薄膜的方法，其特征是所说的合金靶材中Zn和Al纯度分别为99.99％以上。

3.根据权利要求1所述的室温条件下制备Al掺杂ZnO透明导电薄膜的方法，其特征是所说的Ar和O₂纯度分别为99.99％以上。

4.根据权利要求1所述的室温条件下制备Al掺杂ZnO透明导电薄膜的方法，其特征是所说的衬底是硅或蓝宝石或石英或玻璃或有机聚合物。

5.根据权利要求4所述的室温条件下制备Al掺杂ZnO透明导电薄膜的方法，其特征是所说的有机聚合物衬底为聚苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚甲醛、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯对苯二甲酯、聚丙烯己二脂、聚四氟乙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、聚砜或尼龙。

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