CN101834009A

CN101834009A - 一种低铟掺杂量氧化锌透明导电膜及其制备方法

Info

Publication number: CN101834009A
Application number: CN200910111243A
Authority: CN
Inventors: 曹永革; 黄常刚; 王美丽
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: CN101834009B

Abstract

本发明涉及一种用铟掺杂氧化锌透明导电膜材料及其制备方法。该方法采用多靶共溅磁控溅射技术，采用氧化锌陶瓷靶和铟金属靶共溅的方法，在普通碱玻璃及石英玻璃衬底上制备出具有多晶结构的ZnO:In透明导电膜。工艺条件为：氩气和氧气混合工作气体压强为0.2～2.0Pa，氧气与氩气体积比为0～0.2，氧化锌靶及铟靶溅射功率分别为50～200W和5～40W，衬底温度为室温～500℃，偏压为0～-200V。制得的透明导电膜中铟原子数含量低至2％，具有很好的导电性能，在400～1100nm透过率大于90％，可替代ITO广泛应用于太阳能电池和平板显示等领域。

Description

一种低铟掺杂量氧化锌透明导电膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种低铟掺杂量氧化锌透明导电膜的制备方法，属于光电子功能材料技术领域。

背景技术

氧化物透明导电膜作为一种重要的光电子功能材料，广泛应用于太阳能电池、平板显示、热辐射反射镜等领域。掺锡氧化铟(ITO)是当前应用最广泛的透明导电膜，该薄膜铟含量在90质量％以上，其高额成本驱使科研工作者开发新型的低铟含量透明导电膜。氧化锌是一种宽禁带半导体，对可见光具有高透过率，而且容易实现n型掺杂。以氧化锌为基体进行掺杂的透明导电膜已经成为当前的研究重点。

中国专利公开说明书CN02814292.6公开了一种IZO透明导电膜的制备方法。该方法制备的透明导电膜铟原子与铟原子和锌原子之和的原子比[In/(In+Zn)]为0.7～0.95。该方法提供了一种减少透明导电膜中铟含量的思路，但是铟含量还很高，不能达到大幅降低成本的目的。

中国专利公开说明书CN200680026929.5公开了一种采用氧化锌、氧化锡及氧化铟制备透明导电膜的方法。该方法制备的透明导电膜中特优选铟原子与铟原子和锌原子之和的原子比[In/(In+Zn)]为0.25～0.35，薄膜电阻率随着薄膜中铟含量的增加而减小，当薄膜中铟原子与铟原子和锌原子之和的原子比[In/(In+Zn)]为0.32时，电阻率为2×10^-3Ωcm。该法制备的透明导电薄膜虽然降低了铟的含量，但是薄膜的电阻率相对来说还是比较大，而且铟的含量还很高。

本发明的目的是通过采用多靶共溅磁控溅射技术，采用氧化锌陶瓷靶和铟金属靶共溅的方法，在普通碱玻璃及石英玻璃衬底上制备出具有多晶结构的ZnO:In(IZO)透明导电膜，提供一种削减了铟使用量，但是还能够获得低电阻、高透过率的透明导电膜。

发明内容

本发明针对当前ITO和IZO透明导电膜中铟含量高，成本高的问题，提出了采用氧化锌陶瓷靶和铟金属靶共溅的方法制备低铟掺杂量的IZO透明导电膜。采用该法制备透明导电膜可以通过改变靶材的溅射功率来调整薄膜中铟的掺杂量，可以很方便地优化薄膜制备工艺条件，制备出具有良好导电性能和高透过率的薄膜。

本发明制备的低铟掺杂量氧化锌透明导电膜中，铟原子与铟原子和锌原子之和的原子比[In/(In+Zn)]≈2％，沿(002)取向的六方纤锌矿相结构，电阻率为1.2×10^-3Ω·cm，方块电阻为13.59Ω/□，载流子浓度为4.03×10²⁰/cm³，迁移率为11.1cm²V^-1S^-1，在400～1100nm透过率约为90％，表面粗糙度小于2nm。

本发明采用氧化锌陶瓷靶和铟金属靶多靶共溅磁控溅射方法制备，所使用的氧化锌陶瓷靶和铟金属靶纯度不低于99.9％，相对密度不低于0.90；在氧化锌陶瓷靶和铟金属靶多靶共溅磁控溅射方法制备过程中，混合工作气体由氩气和氧气组成，压强为0.2～2.0Pa，氧气与氩气体积比为0～0.2；氧化锌靶及铟靶溅射功率分别为50～200W和5～40W，衬底温度为室温～500℃，偏压为0～-200V。

本发明制备的IZO透明导电膜与中国专利公开说明书CN200680026929.5公开的IZO透明导电膜相比，铟含量明显减少，而且前者的电阻率略小于后者，透过率两者相当。本发明的IZO透明导电膜具有优良的光电性能，铟含量极低，可以替代目前大量使用的ITO透明导电膜，可以节约大量贵重金属铟，同时大幅降低透明导电膜的成本。

附图说明

图1为多靶共溅磁控溅射系统示意图，其中：1为衬底，2为挡板，3为磁控靶枪。

图2为不同衬底上制备的IZO透明导电膜透过率谱。(a)石英玻璃衬底；(b)普通碱玻璃衬底。

图3为普通碱玻璃衬底上制备的IZO透明导电膜的X射线衍射谱。

图4为普通碱玻璃衬底上制备的IZO透明导电膜的AFM表明形貌图，扫描范围为10μm，其粗糙度为2nm。

图5为普通碱玻璃衬底上制备的IZO透明导电膜的截面SEM形貌图，从图中可以看出IZO膜是垂直于衬底取向生长的。

具体实施方式

实施例1：多靶共溅磁控溅射制备低铟掺杂量氧化锌透明导电膜。

溅射用氧化锌陶瓷靶纯度为99.9％，铟金属靶纯度为99.9％，相对密度均为～0.90。将靶材分别安装于互相对立的两个靶枪中(如图1所示)，调整靶枪与竖直方向夹角为～30°，抽真空至真空室本底真空度高于2.0×10^-4Pa。以石英玻璃为衬底，衬底温度保持在400℃，往真空室内通入40sccm氩气和2sccm氧气(sccm表示标准毫升每分钟)，调节真空室压强为0.5Pa，氧化锌靶对应的射频电源功率调节为150W，铟靶对应的射频电源功率调节为15W，调节偏压为-100V，样品转动速率为6转/分，在该条件下薄膜生长速率为～20nm/min，在正式沉积薄膜之前靶材先预溅射20min。按照上述工艺条件制备厚度为～600nm的IZO透明导电膜。经测试表明该IZO透明导电膜中铟原子与铟原子和锌原子之和的原子比[In/(In+Zn)]≈2％，铟含量非常低，其晶体结构为沿(002)取向的六方纤锌矿相结构，电阻率为1.2×10^-3Ω·cm，方块电阻为13.59Ω/□，载流子浓度为4.03×10²⁰/cm³，迁移率为11.1cm²V^-1S^-1，透过率为～90％(400～1100nm)，表面粗糙度为1.8nm。

实施例2：

溅射用氧化锌陶瓷靶纯度为99.9％，铟金属靶纯度为99.9％，相对密度均为～0.90。将靶材分别安装于互相对立的两个靶枪中(如图1所示)，调整靶枪与竖直方向夹角为～30°，抽真空至真空室本底真空度高于2.0×10^-4Pa。以普通碱玻璃为衬底，衬底温度保持在400℃，往真空室内通入40sccm氩气(sccm表示标准毫升每分钟)，调节真空室压强为0.5Pa，氧化锌靶对应的射频电源功率调节为150W，铟靶对应的射频电源功率调节为25W，调节偏压为-50V，样品转动速率为6转/分，在该条件下薄膜生长速率为～22nm/min，在正式沉积薄膜之前靶材先预溅射20min。按照上述工艺条件制备厚度为～600nm的IZO透明导电膜。经测试表明该IZO透明导电膜中铟原子与铟原子和锌原子之和的原子比[In/(In+Zn)]≈13.4％，铟含量较低，其晶体结构为沿(002)取向的六方纤锌矿相结构，电阻率为1.39×10^-3Ω·cm，方块电阻为25.25Ω/□，载流子浓度为3.23×10²¹/cm³，迁移率为5.4cm²V^-1S^-1，透过率为～85％(400～1100nm)，表面粗糙度为2nm。

Claims

1.一种低铟掺杂量氧化锌透明导电膜，其特征在于：该导电膜中，铟原子与铟原子和锌原子之和的原子比[In/(In+Zn)]≈2％，沿(002)取向的六方纤锌矿相结构，电阻率为1.2×10^-3Ω·cm，方块电阻为13.59Ω/□，载流子浓度为4.03×10²⁰/cm³，迁移率为11.1cm²V^-1S^-1，在400～1100nm透过率约为90％，表面粗糙度小于2nm。

2.一种权利要求1所述的低铟掺杂量氧化锌透明导电膜的制备方法，其特征在于：采用氧化锌陶瓷靶和铟金属靶多靶共溅磁控溅射方法制备。

3.权利要求2所述的低铟掺杂量氧化锌透明导电膜的制备方法，其特征在于：所使用的氧化锌陶瓷靶和铟金属靶纯度不低于99.9％，相对密度不低于0.90。

4.权利2或3所述的低铟掺杂量氧化锌透明导电膜的制备方法，其特征在于：所述氧化锌陶瓷靶和铟金属靶多靶共溅磁控溅射方法过程中，混合工作气体由氩气和氧气组成，压强为0.2～2.0Pa，氧气与氩气体积比为0～0.2；氧化锌靶及铟靶溅射功率分别为50～200W和5～40W，衬底温度为室温～500℃，偏压为0～-200V。