CN102094182A - 一种提高掺铝ZnO透明导电薄膜AZO导电性和稳定性的方法 - Google Patents

一种提高掺铝ZnO透明导电薄膜AZO导电性和稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高掺铝ZnO透明导电薄膜AZO导电性和稳定性的方法。对于磁控溅射制备的不稳定AZO薄膜，采用Zn气氛退火的方法来改善薄膜的导电性和稳定性。将薄膜和金属Zn粒一起密封于真空容器中，加热到一定的温度并维持一定的时间，使Zn原子填入到薄膜的Zn空位处，从而同时提高薄膜迁移率和载流子浓度。经本方法处理过的AZO薄膜拥有1.5×10-4(Ωcm)的低电阻率，将其分别置于室温和100℃的空气中，在长达三个月的时间里，电阻率没有变化。本方法极大地提高了AZO薄膜的导电性和稳定性，对AZO薄膜的在实际中的广泛使用能产生重要的影响。

Description

一种提高掺铝ZnO透明导电薄膜AZO导电性和稳定性的方法
技术领域
本发明涉及一种对AZO透明导电薄膜的后处理方法。对于用磁控溅射制备的AZO薄膜，采用Zn气氛退火的方法改善薄膜的导电性和稳定性。
背景技术
对可见光的平均透过率高(＞80％)、电阻率低(＜10-3Ω·cm)的透明导电薄膜在太阳能电池、平板显示器、薄膜晶体管(TFT)、气敏元件、抗静电涂层、波导器件和红外反射窗口等领域有广阔的应用前景。相对于SnO2(NESA)或掺Sn的In2O3(ITO)等透明导电薄膜，AZO薄膜具有如下优点：(1)原料充足价格便宜；(2)对环境无毒害；(3)抗辐射能力强；(4)通过控制Al的掺杂量可以方便的调控薄膜的电学性能；(5)成膜方法便宜简单。所以AZO薄膜很可能可以取代NESA或ITO等透明导电薄膜。
基于商用上降低成本的需要，目前绝大多数的AZO薄膜都是利用设备相对简单价格相对便宜的磁控溅射制备的。由于其导电源自薄膜中的Zn间隙和O空位缺陷，导致了制备的薄膜迁移率不高而且不够稳定，特别是在较高的环境温度下，其电阻率上升较快。因而迫切需要一种方法对磁控溅射制备的AZO薄膜进行再次的处理，使其导电不在源自缺陷从而增加其迁移率和稳定性。
发明内容
鉴于磁控溅射制备的AZO薄膜迁移率低而且不够稳定，本发明的目的在于提供一种对磁控溅射制备后的薄膜再次处理的方法，以获取同时具有高迁移率和高载流子浓度的稳定低阻AZO薄膜。
本发明采用如下技术方案实现发明目的：将磁控溅射制备出的AZO薄膜暴露于Zn蒸气中退火，在由于Al3+取代Zn2+而导致的空位上填充一个Zn原子。由于此Zn原子能够提供2个电子作为载流子参与电输运，所以能获得稳定的较高载流子浓度；另一方面由于Zn原子填补了空位，使薄膜的迁移率得到了大大的提升。经过此处理后的薄膜电导率和稳定性均得到了极大的提升。
具体步骤如下：
(1)在玻璃或石英衬底上利用磁控溅射制备出AZO薄膜，为了尽量减少氧空位的出现保持晶格完整，此过程可以在工作气体氩气中混入少量的氧气。
(2)把沉积有AZO薄膜的衬底和纯净的金属Zn粒，密封在一个干净的真空容器中(如石英管)，并保持容器的真空度。
(3)加热(2)中密封好的容器，使其升至500℃到1000℃之间的某一设定温度，维持此温度在60分钟以内的某一设定时间，自然冷却到室温，破真空并取出薄膜，测量其电学性能。
本发明工作原理为：根据化合价守恒，在用磁控溅射制备AZO薄膜时会出现2个Al3+取代3个Zn2+从而引入一个Zn空位的情况。通过一定温度下的Zn气氛退火，在空位处填上Zn原子。此填入的Zn原子不仅完善了晶格还能能提供2个电子作为载流子参与电输运。因而大大提高了AZO薄膜的电导和稳定性。
本发明的有益效果：Zn气氛退火使AZO薄膜的迁移率和载流子浓度同时获得了极大地提升，其电阻率急剧的下降，最多可以从2.37×103(Ωcm)降至1.55×10-4(Ωcm)，经过退火薄膜的稳定性也大大增加。退火后的薄膜置于100℃空气中经过3个月，电阻率维持在1.55×10-4Ω·cm没有任何变化。
具体实施方式：
实施例1：
在成膜气体只有氩气的情况下，用磁控溅射沉积AZO薄膜在玻璃衬底上，采用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。经过Zn气氛600℃30分钟的退火后，再次用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。退火前后AZO薄膜的电学性能对比如表1所示。
表1  退火前后AZO薄膜的电学性能对比
Figure G2009101129485D00031
实施例2：
在成膜气体中的氧气和氩气的比例为1∶4的情况下，用磁控溅射沉积AZO薄膜在玻璃衬底上，采用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。经过Zn气氛600℃30分钟的退火后，再次用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。退火前后AZO薄膜的电学性能对比如表2所示。
表2  退火前后AZO薄膜的电学性能对比
Figure G2009101129485D00032
实施例3：
在成膜气体只有氩气的情况下，用磁控溅射沉积AZO薄膜在玻璃衬底上，采用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。经过Zn气氛500℃30分钟的退火后，再次用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。退火前后AZO薄膜的电学性能对比如表3所示。
表3  退火前后AZO薄膜的电学性能对比
Figure G2009101129485D00033
实施例4：
在成膜气体只有氩气的情况下，用磁控溅射沉积AZO薄膜在石英衬底上，采用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。经过Zn气氛700℃30分钟的退火后，再次用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。退火前后AZO薄膜的电学性能对比如表4所示。
表4  退火前后AZO薄膜的电学性能对比
Figure G2009101129485D00041
实施例5：
在成膜气体只有氩气的情况下，用磁控溅射沉积AZO薄膜在玻璃衬底上，采用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。经过Zn气氛600℃10分钟的退火后，再次用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。退火前后AZO薄膜的电学性能对比如表5所示。
表5  退火前后AZO薄膜的电学性能对比
Figure G2009101129485D00042
实施例6：
在成膜气体只有氩气的情况下，用磁控溅射沉积AZO薄膜在玻璃衬底上，采用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。经过Zn气氛600℃60分钟的退火后，再次用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。退火前后AZO薄膜的电学性能对比如表6所示。
表6  退火前后AZO薄膜的电学性能对比
Figure G2009101129485D00043

Claims (4)

1.一种提高掺铝ZnO透明导电薄膜AZO导电性和稳定性的方法，其特征在于：将沉积有薄膜的衬底和金属Zn粒同时密封于干净的真空容器中，加热此容器到一定温度并维持一定时间进行退火。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：密封容器中应维持较高的真空度，容器内气压小于1Pa。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：退火温度控制500℃至1000℃之间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：退火时间控制在60分钟以内。
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