CN101818324A - 柔性衬底生长n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的柔性衬底生长n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法。靶材是由纯ZnO，纯MgO和纯Ga2O3粉末烧结的陶瓷靶。将衬底清洗后放入脉冲激光沉积装置生长室中，生长室抽至本底真空10-3Pa，在压强为0.03Pa的O2气氛下生长，生长温度为室温。本发明采用预沉积缓冲层可提高在柔性衬底上生长的n型ZnO基透明导电薄膜性能，方法简单，制得的n型ZnMgO:Ga晶体薄膜具有较好的光电性能，电阻率低于10-4Ω·cm，可见光区透射率超过80％。
Description
技术领域
本发明涉及ZnO基透明导电薄膜的生长方法，尤其是柔性衬底上生长n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜的方法。
背景技术
ZnO薄膜是继铟锡氧化物(ITO)薄膜之后，新开发出来的一种新型的宽禁带、在可见光范围内具有高透射率和低电阻率的n型半导体透明导电薄膜。氧化锌还有材料来源非常丰富、价格低廉、无毒、制备方法多样、易实现掺杂和低温生长等优点。
在所有掺杂元素中，由于Ga和Zn原子半径最为接近，而且Ga-O键和Zn-O键的键长也很接近，因此Ga原子置换Zn原子对ZnO的晶格畸变也较小，这有利于Ga的掺入。其次在薄膜的生长过程中，Al反应活性较高，易氧化，Ga相对于Al不易氧化，这是Ga作为掺杂元素的另外一个优点。所以Ga被认为是最有前途的掺杂元素。另外由于ZnO中掺入Mg可以有效的调节ZnO的禁带宽度，使其在二维电子气、调制掺杂、多层异质结和量子井结构等方面有着重要的用途。脉冲激光沉积法具有沉积参数易控、易保持薄膜与靶成分一致、能实现实时掺杂且生长的薄膜质量好等优点，具有广阔的应用前景，是目前制备ZnO基透明导电薄膜最有效和最有发展前途的制备技术之一。
在柔性衬底上制备的透明导电膜具有许多独特的优点，如质量轻、可折叠、不易破碎、易于大面积生产、便于运输等。这种薄膜可广泛应用于制造柔性发光器件、塑料液晶显示器和柔性衬底非晶硅太阳能电池，还可作为透明隔热保温材料用于塑料大棚、汽车玻璃和民用建筑玻璃贴膜。
界面上的ZnO缓冲层可以松弛柔性衬底与ZnMgO:Ga薄膜之间的晶格突变，减少衬底上氧化物的影响。因此，为了改善薄膜与衬底的匹配性、并提高薄膜对水氧的阻隔性，从而提高薄膜光电性能，可预先在衬底上制备一层无机缓冲层。本发明采用先预沉积一层ZnO无机缓冲层的方法，然后在缓冲层上原位沉积n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过预沉积缓冲层在柔性衬底上n型ZnMgO:Ga半导体薄膜的方法，以提高n型ZnO基透明导电薄膜的性能。
本发明的在柔性衬底上生长的n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜，其载流子浓度为1020～1021cm-3。
柔性衬底生长n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法，包括以下步骤：
1)掺Ga的ZnMgO陶瓷靶的制备：称量纯ZnO、纯MgO和纯Ga2O3粉末，其质量百分比为87∶10∶3，将粉末球磨混合均匀、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得掺Ga的ZnMgO陶瓷靶。
纯ZnO陶瓷靶的制备：称量纯ZnO粉末，将粉末球磨细化、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得ZnO陶瓷靶。
2)将步骤1)制得的陶瓷靶和清洗过的柔性衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，靶材与柔性衬底之间的距离保持为4.5cm，生长室真空度至少抽至10-3Pa，生长室通入纯O2气体，控制压强为0.03Pa，开启激光器，让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材，形成余辉，沉积在柔性衬底上，先预沉积一层ZnO无机缓冲层，然后在缓冲层上原位沉积n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜。
上述的O2气体纯度为99.99％以上。纯ZnO、纯MgO和纯Ga2O3的纯度分别为99.99％。所说的柔性衬底为聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)。
本发明的有益效果在于：
方法简单，ZnO缓冲层可以显著提高ZnO基透明导电薄膜的光电性能；
附图说明
图1是根据本发明方法采用的脉冲激光沉积装置示意图，图中：1为激光器；2为生长室；3为靶材；4为衬底；
图2是实施例中的ZnMgO:Ga透明导电薄膜的x射线衍射(XRD)图谱；
图3是实施例中的ZnMgO:Ga透明导电薄膜的光学透射谱。
具体实施方式
以下结合图1，通过实例对本发明作进一步的说明。以PET为柔性衬底生长n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜，具体步骤如下：
1)掺Ga的ZnMgO陶瓷靶的制备：称量纯度分别为99.99％的ZnO、MgO和Ga2O3粉末，其质量百分比为87∶10∶3，将称量好的粉末倒入装有玛瑙球的球磨罐中，在球磨机上球磨15个小时，目的是将ZnO，MgO和Ga2O3粉末混合均匀并在一定程度上细化。然后将原料分离出来并烘干，添加粘结剂研磨，压制成型。把成型的胚体放入烧结炉中，经低温(800℃)排素，使粘结剂挥发，再升温至1200℃烧结2小时，得到掺Ga的ZnMgO陶瓷靶。
纯ZnO陶瓷靶的制备：称量纯度为99.99％的ZnO粉末，将粉末倒入装有玛瑙球的球磨罐中，在球磨机上球磨15个小时，目的是将粉末在一定程度上细化。然后将原料分离出来并烘干，添加粘结剂研磨，压制成型。把成型的胚体放入烧结炉中，经低温(800℃)排素，使粘结剂挥发，再升温至1200℃烧结2小时，得到ZnO陶瓷靶。
2)薄膜的制备将掺Ga的ZnMgO陶瓷靶和ZnO陶瓷靶装在靶材架上，然后嵌入脉冲激光沉积装置的靶托中。将玻璃衬底经过清洗后固定在样品台上，放入生长室2。调节衬底4和靶材3的距离为4.5cm，并用挡板将衬底和靶隔开。生长室真空度抽至2×10-3Pa，衬底保持室温(25℃)，通入纯O2气体(纯度99.99％)，压强控制在0.03Pa。开启激光器1(脉冲激光能量为180mJ，频率3Hz)，预沉积2min，除去靶材表面的玷污，然后旋开挡板，沉积ZnO缓冲层，缓冲层沉积10分钟，然后转动靶材托盘，改变溅射用的靶材为ZnMgO:Ga，沉积薄膜。沉积过程中衬底和靶材低速自转，以改善薄膜的均匀性。沉积时间为40min，薄膜厚约为220nm。
缓冲层对ZnO:Ga薄膜电学性能的影响见表1，从表1中可以看出，通过预沉积缓冲层，上述生长在柔性衬底上的ZnMgO:Ga透明导电薄膜电学性能有明显提高。图2中的XRD图谱显示，通过沉积ZnO缓冲层，薄膜的特征峰变得明显，薄膜晶体质量得到提高。图3的透射谱显示，制备所得的ZnMgO:Ga薄膜在可见光区平均透射率超过80％。
表1.缓冲层对ZnO:Ga薄膜电学性能的影响
| 薄膜成分 | 缓冲层 | 电阻率(Ω·cm) | 迁移率(cm2V-1s-1) | 载流子浓度(cm-3) |
| ZnMgO:GaZnMgO:Ga | 无有 | 8.307×10-37.077×10-4 | 2.956.69 | -2.55×1020-1.32×1021 |
Claims (4)
1.柔性衬底生长n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法，包括以下步骤：
1)掺Ga的ZnMgO陶瓷靶的制备：称量纯ZnO、纯MgO和纯Ga2O3粉末，其质量百分比为87∶10∶3，将粉末球磨混合均匀、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得掺Ga的ZnMgO陶瓷靶。
纯ZnO陶瓷靶的制备：称量纯ZnO粉末，将粉末球磨细化、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得ZnO陶瓷靶。
2)将步骤1)制得的掺Ga的ZnMgO陶瓷靶和ZnO陶瓷靶和清洗过的柔性衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，靶材与柔性衬底之间的距离保持为4.5cm，生长室真空度至少抽至10-3Pa，生长室通入纯O2气体，控制压强为0.03Pa，开启激光器，让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材，形成余辉，沉积在柔性衬底上，先预沉积一层ZnO无机缓冲层，然后在缓冲层上原位沉积n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜。
2.根据权利要求1所述的柔性衬底生长n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜的方法，其特征在于所说的柔性衬底为聚乙烯对苯二甲酸酯。
3.根据权利要求1所述的柔性衬底生长n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜的方法，其特征在于所说的纯O2气体的纯度为99.99％以上。
4.根据权利要求1所述的柔性衬底生长n型ZnMgO:Ga透明导电薄膜的方法，其特征是纯ZnO、纯MgO和纯Ga2O3的纯度分别为99.99％。
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