CN105695947A - 一种具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜，该薄膜为生长于柔性衬底上的ZnO基薄膜，其化学组成为Zn1-x-yAxByO，其中0<<i>x</i>≦0.50，0<<i>y</i>≦0.40, A为氟、氯、硫、硒中的一种，B为硼、氢中的一种，且A和B的原子比例满足1<x:y≦10。制备该薄膜采用射频磁控溅射法，通过结合氢等离子处理和真空热退火的手段，从而制得导电性能良好的透明导电薄膜。本发明制备的薄膜结晶性能好，薄膜生长平整，光透过率在80%以上，电阻率可降至10-3数量级，方阻可达到81.9。可应用在太阳能电池前电极、薄膜晶体管、紫外探测器、透明显示屏等领域。

Description

一种具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种透明导电氧化物薄膜的制备方法，特别是一种具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜及其制备方法。
背景技术
透明导电薄膜是以金属氧化物为基础的半导体材料，通过特定的制备工艺制备成透明导电的薄膜材料。透明导电薄膜将透明与导电两种性质结合在一起，在光电产业中有着广阔的应用前景。在相当长的时间里，透明导电薄膜的研究主要集中在ITO薄膜(掺锡的In2O3)，ITO具有优异的光电性能:在550nm波长处对可见光的透过率可达85%以上；低的电阻率(10-5~10一3Ωcm)；较宽的禁带宽度(Eg=3.5~4.3eV)；红外反射率大于80%；紫外吸收率大于85%。但ITO薄膜在实际应用中有一个决定性的制约因素一一金属In是一种稀有金属，且价格昂贵。市场对透明导电薄膜的巨大需求与In资源的缺乏形成了尖锐的矛盾。研究制备具有高电学性能和光学性能的透明材料已越来越成为人们对高科技功能材料的迫切需求。
ZnO基薄膜是一种禁带宽度大，载流子迁移率高的透明导电薄膜。由于存在一些本征缺陷，所以一般呈n型导电，但是纯的氧化锌电学性能还有待改善，不能满足器件制备方面的要求。为了解决这一问题，人们通常采用掺杂的方法来增加其电导率。常用的掺杂元素如Al、Ga、In等金属元素，但金属元素的掺入导致载流子浓度过高，自由电子的吸收导致薄膜在近红外区域透明性不理想，大大限制了ZnO基薄膜在太阳能电池中的应用。
ZnO基薄膜的制备方法很多，主要分为物理沉积方法和化学沉积方法，其中，物理沉积方法包括了磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、热蒸发等等；化学沉积方法包括了化学气相沉积、溶胶-凝胶法、喷雾热分解法等等。
科技时代的迅猛发展，大大促进人们对电子器件轻便、可穿戴的要求。柔性化，超薄化成为现在电子器件的迫切需求，这也使得柔性衬底上透明导电氧化物薄膜(TCO)的研发需求日渐增加。柔性TCO不但具有硬质衬底上TCO的光电特性，并且有着许多独特的优点，例如重量轻，可弯曲，不易碎，易于大面积生产，体积小等等，可以广泛应用于液晶显示器，可绕曲太阳能电池，民用建筑玻璃贴膜等各种方面。因此，制备出光电性能优良的柔性TCO有非常现实的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜及其制备方法，以克服纯ZnO导电性能无法满足使用需求的不足，采用两种非金属元素共掺杂的方法来提高薄膜的载流子迁移率和浓度，获得具有更高电导率和迁移率的透明导电薄膜。
本发明的具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜，为生长于柔性衬底上的ZnO基薄膜，其化学组成为Zn1-x-yAxByO，其中0<x≦0.50，0<y≦0.40,A为氟、氯、硫、硒中的一种，B为硼、氢中的一种，且A和B的原子比例满足1<x:y≦10。
所述的柔性衬底为聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
制备上述的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜的方法，包括如下步骤：
(1)制备靶材：制备Zn1-x-yAxByO陶瓷靶材，其中0<x≦0.50，0<y≦0.40,A为氟、氯、硫、硒中的一种，B为硼、氢中的一种，A和B的原子比例满足1<x:y≦10；避免了溅射过程的化学反应，以及使用合金或金属靶材而导致薄膜成分难以控制的缺点。
(2)清洗衬底：衬底清洗采用超声振动清洗法，先在无水乙醇中清洗，再用丙酮溶液清洗，最后用去离子水中清洗，清洗完成后将衬底用氩气吹干；所述衬底为柔性衬底，选用聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯；
(3)溅射生长：采用射频磁控溅射法在上述衬底上制备薄膜；
(4)氢等离子处理：将上述薄膜放入磁控腔体中，通入氢气后打开衬底射频源，进行氢等离子处理；
(5)真空热退火：将上述进行H等离子体处理的薄膜放在磁控溅射装置内，进行热退火，获得非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜。
上述方案中，所述的步骤(5)中热退火的温度在50~150℃，热退火时间为20~120min。
所述的步骤（4）中氢等离子处理条件为：射频电源功率为20~150W，本底气压低于5×10-6Torr，工作气压为3～20mTorr，衬底的温度为60℃。
步骤（3）中薄膜生长时间为15~90min。
上述的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜可用于太阳能电池前电极、薄膜晶体管、紫外探测器、透明显示屏。
本发明具有以下优点
1)本发明的透明导电薄膜所用的材料为成本低廉、储量丰富的ZnO并且方法重复性好，操作简便，适用于大面积生长。
2)本发明选用两种非金属共掺杂ZnO,非金属对导带电子的扰动小，有利于电子迁移率的提高。可制备高载流子迁移率并且在长波区域(即近红外光)透过率很高的薄膜。得到的Zn1-x-yAxByO薄膜结晶性能好，薄膜生长平整，薄膜的光透过率在80%以上，薄膜的电阻率可降至10-3数量级，方阻可达到81.9。
3)本发明溅射完成后以后采用原位真空热退火处理，可以在很大程度上降低溅射产生的间隙原子的含量，同时可以修复晶体质量，减少位错和层错的密度，使薄膜电导率和迁移率提高。
4)本发明对制得的薄膜再采取后续氢等离子处理，可使得H掺入其中变成替代氧位的HO，并形成浅施主能级，达到简单，快速而且导电性能提高明显的效果。
5)本发明实现了在柔性衬底上生长透明导电薄膜，操作易实现，且能实现较低的生长温度。
附图说明
图1为实施例1制备的B、F共掺杂ZnO透明导电薄膜的XRD衍射图片。
图2实施例1磁控生长出来的B、F共掺杂ZnO透明导电薄膜的SEM图。
图3为实施例1制备的B、F共掺杂ZnO透明导电薄膜的透过率图谱。
图4为实施例1中B、F共掺杂ZnO透明导电薄膜的电学性能变化趋势图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
1)靶材制备：按Zn0.92B0.02F0.06O的比例制备BFZO陶瓷靶材，其中B和F的原子比例是2：6；
2)将聚碳酸酯（PC）衬底分别用丙酮和乙醇利用超声清洗机清洗10分钟，重复两遍后取出，用Ar气吹干后，安放在磁控溅射设备的衬底托盘上；
3)装上BFZO的陶瓷靶后，关闭腔体门，打开机械泵和分子泵开始抽真空，直到真空度达到5×10-6Torr，开启衬底加热程序，将衬底加热至60℃；
4)向生长室中通入纯Ar，调节气压到12mTorr后开始起辉，预溅射5min去除靶材表面杂质；
5)打开溅射挡板，调节生长气压至8mTorr，打开射频电源，设置功率至100W，溅射时间1h，得到厚度为120nm左右的BFZO薄膜，薄膜SEM照片如图(2)所示；
6)将步骤5)中制备得到的薄膜，再在磁控溅射设备腔体里面进行退火工艺处理，退火温度100℃，时间120min，然后冷却到室温；
7)打开真空系统，到真空度下降至5×10-6Torr，向腔体中通入纯H2，调节腔体内气压到12mTorr，开启衬底电源，设置功率为35W，使氢气起辉，在氢等离子体中处理25min，得到高电导率高迁移率的BFZO透明导电薄膜，透过率图谱如图3所示，得到的薄膜的电学性能如图(4)所示。
理论分析：B为第三主族元素，载流子浓度可以达到1020量级，掺杂ZnO，有利于达到高的迁移率，而且BZO薄膜的原料成本低。BZO还有一个特殊的形貌优势，生长的BZO薄膜表面是一个金字塔形的结构，通过H等离子处理可以进行一个绒面陷光结构的制备，免除了在后期的对薄膜进行表面腐蚀处理时引入杂质。F为第VⅡ主族元素，通过取代ZnO中的O位置，可以实现ZnO的n型参杂，F和O原子半径相似，晶格畸变小，且F是一种非金属元素，对导带电子的扰动小，有利于电子迁移率的提高。FZO薄膜具有高载流子迁移率并且在长波区域(即近红外光)薄膜的透过率很高，是ZnO基TCO薄膜在宽光谱太阳能电池领域能够推广的一个关键。F氧化性很强，不易从晶格中逃逸，可以起到钝化效应。由于BZO、FZO薄膜都有较高的载流子迁移率，且在光学性能上都有各自增加反射、高光透过性的优势，因而B/F共掺杂ZnO是一种切实可行的制备高性能透明导电电极的方式。
实施例2
1)靶材制备：按Zn0.95B0.02S0.03O的比例制备BSZO靶材，其中B和S的原子比例是2：3；
2)将聚碳酸酯（PC）衬底分别用丙酮和乙醇利用超声清洗机清洗10分钟，重复两遍后取出，用Ar气吹干后，安放在磁控溅射设备的衬底托盘上；
3)装上BSZO的陶瓷靶后，关闭腔体门，打开机械泵和分子泵开始抽真空，直到真空度达到5×10-6Torr，开启衬底加热程序，将衬底加热至60℃；
4)向生长室中通入纯Ar，调节气压到12mTorr后开始起辉，预溅射5min去除靶材表面杂质；
5)打开溅射挡板，调节生长气压至8mTorr，打开射频电源，设置功率至100W，溅射时间1h，得到厚度为120nm左右的BSZO薄膜；
6)将步骤5)中制备得到的薄膜，再在磁控溅射设备腔体里面进行退火工艺处理，退火温度100℃，时间120min，然后冷却到室温；
7)打开真空系统，到真空度下降至5×10-6Torr，向腔体中通入纯H2，调节腔体内气压到12mTorr，开启衬底电源，设置功率为35W，使氢气起辉，在氢等离子体中处理25min，得到高电导率高迁移率的BSZO透明导电薄膜。
实施例3
1)靶材制备：按Zn0.92B0.02Cl0.06O的比例制备B、Cl共掺杂ZnO靶材，其中B和Cl的原子比例是2：6；
2)将聚碳酸酯（PC）衬底分别用丙酮和乙醇利用超声清洗机清洗10分钟，重复两遍后取出，用Ar气吹干后，安放在磁控溅射设备的衬底托盘上；
3)装上BClZO的陶瓷靶后，关闭腔体门，打开机械泵和分子泵开始抽真空，直到真空度达到5×10-6Torr，开启衬底加热程序，将衬底加热至60℃；
4)向生长室中通入纯Ar，调节气压到12mTorr后开始起辉，预溅射5min去除靶材表面杂质；
5)打开溅射挡板，调节生长气压至8mTorr，打开射频电源，设置功率至100W，溅射时间1h，得到厚度为120nm左右的BClZO薄膜；
6)将步骤5)中制备得到的薄膜，再在磁控溅射设备腔体里面进行退火工艺处理，退火温度100℃，时间120min，然后冷却到室温；
7)打开真空系统，到真空度下降至5×10-6Torr，向腔体中通入纯H2，调节腔体内气压到12mTorr，开启衬底电源，设置功率为35W，使氢气起辉，在氢等离子体中处理25min，得到高电导率高迁移率的BClZO透明导电薄膜。
实施例4
1)靶材制备：按Zn0.90B0.04F0.06O的比例制备B、Se共掺杂ZnO靶材，其中B和Se的原子比例是2：3；
2)将聚碳酸酯（PC）衬底分别用丙酮和乙醇利用超声清洗机清洗10分钟，重复两遍后取出，用Ar气吹干后，安放在磁控溅射设备的衬底托盘上；
3)装上BSeZO的陶瓷靶后，关闭腔体门，打开机械泵和分子泵开始抽真空，直到真空度达到5×10-6Torr，开启衬底加热程序，将衬底加热至60℃；
4)向生长室中通入纯Ar，调节气压到12mTorr后开始起辉，预溅射5min去除靶材表面杂质；
5)打开溅射挡板，调节生长气压至8mTorr，打开射频电源，设置功率至100W，溅射时间1h，得到厚度为120nm左右的BSeZO薄膜；
6)将步骤5)中制备得到的薄膜，再在磁控溅射设备腔体里面进行退火工艺处理，退火温度100℃，时间120min，然后冷却到室温；
7)打开真空系统，到真空度下降至5×10-6Torr，向腔体中通入纯H2，调节腔体内气压到12mTorr，开启衬底电源，设置功率为35W，使氢气起辉，在氢等离子体中处理25min，得到高电导率高迁移率的BSeZO透明导电薄膜。
实施例5
1)靶材制备：按Zn0.94S0.02F0.04O的比例制备F、S共掺杂ZnO靶材，其中F和S的原子比例是2：1；
2)将聚碳酸酯（PC）衬底分别用丙酮和乙醇利用超声清洗机清洗10分钟，重复两遍后取出，用Ar气吹干后，安放在磁控溅射设备的衬底托盘上；
3)装上FSZO的陶瓷靶后，关闭腔体门，打开机械泵和分子泵开始抽真空，直到真空度达到5×10-6Torr，开启衬底加热程序，将衬底加热至60℃；
4)向生长室中通入纯Ar，调节气压到12mTorr后开始起辉，预溅射5min去除靶材表面杂质；
5)打开溅射挡板，调节生长气压至8mTorr，打开射频电源，设置功率至100W，溅射时间1h，得到厚度为120nm左右的FSZO薄膜；
6)将步骤5)中制备得到的薄膜，再在磁控溅射设备腔体里面进行退火工艺处理，退火温度100℃，时间120min，然后冷却到室温；
7)打开真空系统，到真空度下降至5×10-6Torr，向腔体中通入纯H2，调节腔体内气压到12mTorr，开启衬底电源，设置功率为35W，使氢气起辉，在氢等离子体中处理25min，得到高电导率高迁移率的FSZO透明导电薄膜。
实施例6
1)靶材制备：按Zn0.94Se0.02F0.04O的比例制备F、Se共掺杂ZnO靶材，其中F和Se的原子比例是2：1；
2)将聚碳酸酯（PC）衬底分别用丙酮和乙醇利用超声清洗机清洗10分钟，重复两遍后取出，用Ar气吹干后，安放在磁控溅射设备的衬底托盘上；
3)装上FSeZO的陶瓷靶后，关闭腔体门，打开机械泵和分子泵开始抽真空，直到真空度达到5×10-6Torr，开启衬底加热程序，将衬底加热至60℃；
4)向生长室中通入纯Ar，调节气压到12mTorr后开始起辉，预溅射5min去除靶材表面杂质；
5)打开溅射挡板，调节生长气压至8mTorr，打开射频电源，设置功率至100W，溅射时间1h，得到厚度为120nm左右的FSeZO薄膜；
6)将步骤5)中制备得到的薄膜，再在磁控溅射设备腔体里面进行退火工艺处理，退火温度100℃，时间120min，然后冷却到室温；
7)打开真空系统，到真空度下降至5×10-6Torr，向腔体中通入纯H2，调节腔体内气压到12mTorr，开启衬底电源，设置功率为35W，使氢气起辉，在氢等离子体中处理25min，得到高电导率高迁移率的FSeZO透明导电薄膜。

Claims (7)

1.具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜，其特征在于，该薄膜为生长于柔性衬底上的ZnO基薄膜，其化学组成为Zn1-x-yAxByO，其中0<x≦0.50，0<y≦0.40,A为氟、氯、硫、硒中的一种，B为硼、氢中的一种，且A和B的原子比例满足1<x:y≦10。
2.根据权利要求1所述的具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜，其特征在于，所述的柔性衬底为聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。
3.制备如权利要求1所述的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备靶材：制备Zn1-x-yAxByO陶瓷靶材，其中0<x≦0.50，0<y≦0.40,A为氟、氯、硫、硒中的一种，B为硼、氢中的一种，A和B的的原子比例满足1<x:y≦10；
(2)清洗衬底：衬底清洗采用超声振动清洗法，先在无水乙醇中清洗，再用丙酮溶液清洗，最后用去离子水中清洗，清洗完成后将衬底用氩气吹干；所述衬底为柔性衬底，选用聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯；
(3)溅射生长：采用射频磁控溅射法在上述衬底上制备薄膜；
(4)氢等离子处理：将上述薄膜放入磁控腔体中，通入氢气后打开衬底射频源，进行氢等离子处理；
(5)真空热退火：将上述进行H等离子体处理的薄膜放在磁控溅射装置内，进行热退火，获得非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜。
4.根据权利要求3所述的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述的步骤(5)中热退火的温度在50~150℃，热退火时间为20~120min。
5.根据权利要求3所述的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，氢等离子处理条件为：射频电源功率为20~150W，本底气压低于5×10-6Torr，工作气压为3～20mTorr，衬底的温度为60℃。
6.根据权利要求3所述的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，步骤（3）中薄膜生长时间为15~90min。
7.一种如权利要求1所述的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜的用途，其特征在于，该薄膜用于太阳能电池前电极、薄膜晶体管、紫外探测器、透明显示屏。
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陈文丰: ""H、F掺杂ZnO透明导电薄膜的制备及其性能研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

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