CN107326326B - 一种电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用脉冲激光沉积法制备电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜的制备方法，该方法所用的设备包括石英管、电炉、真空泵、激光脉冲发生器、第一反射镜、第二反射镜以及透镜。激光脉冲发生器发射的激光脉冲束，依次通过第一反射镜、第二反射镜以及透镜，轰击靶材，通过转动透镜，可以控制激光脉冲束的焦点，分别轰击ZnO靶材和Al2O3靶材，并且借助于铝离子在高温下的扩散作用，得到铝掺杂的氧化锌薄膜。由于铝离子的扩散形成的浓度梯度，增加了AZO薄膜的电学性能，其最小导电率约为9×10‑4Ω·cm。并且，本发明可以通过改变激光脉冲束对不同靶材轰击的时间，得到成分和结构不同的AZO薄膜，满足不同电学领域的使用要求。

Description

一种电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜制备方法
技术领域
本发明涉及一种氧化锌薄膜的制备方法，特别是涉及一种电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜的制备方法。
背景技术
氧化锌(ZnO)是一种常见的氧化物，广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、润滑油、油漆涂料、食品、电池等领域中。
氧化锌是具有纤锌矿结构的半导体材料，室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，其透明度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管、压电传感器等产品中均有应用。氧化锌的光学、电学性质，与其化学组成、能带结构、氧空位数量及结晶程度有密切关系。
氧化锌薄膜是一种理想的透明导电薄膜，可见光透过率高达90％左右，电阻率低至10-4Ω·cm。其与ITO相比，氧化锌薄膜，尤其是铝掺杂的氧化锌薄膜AZO(ZnO：Al)，具有成本低廉、无毒、在氢等离子体中稳定性较好的优点，有望成为取代ITO的下一代新型透明导电材料。
常用的AZO薄膜制备方法有磁控溅射法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法等。
虽然世界各国学者对于AZO有着广泛的研究，但是，如何控制溅射法、沉积法制备AZO薄膜中Al的掺杂量、掺杂元素均匀程度并获得有所需的光、电性能，仍然没有良好的解决方法。
脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)，也被称为脉冲激光烧蚀，是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。因其具有无污染、易控制，可以精确控制化学计量工艺简单、灵活性大，适于制备多种膜材料等优点，得到飞速的发展。
脉冲激光沉积制备薄膜时，主要的影响因素有激光能量密度、沉积气压以及衬底基板材质等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备AZO薄膜的设备和方法，通过该方法，可以得到电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜，满足不同领域的使用要求。
一种电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜制备方法，其所用的设备包括石英管、电炉、真空泵、激光脉冲发生器、第一反射镜、第二反射镜以及透镜。
其中，所述石英管的一端连接所述真空泵，所述石英管的另一端设置有气体入口，所述石英管中设置有靶材架；所述电炉为管式炉，对所述石英管中部进行加热；所述透镜安装在可转动的支架上，所述透镜通过转动控制激光脉冲束的焦点；所述激光脉冲发生器发射的激光脉冲束，依次通过所述第一反射镜、所述第二反射镜以及所述透镜，轰击靶材。
制备电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜的方法包括如下步骤：
(1)将靶材安装在所述靶材架上，所述靶材在所述石英管中部，将清洗过的基板放置在所述石英管中部，开启所述真空泵对所述石英管抽真空，10～30min后关闭所述真空泵，然后从所述气体入口通入氩气20min；重复上述抽真空、通入氩气的步骤2～3次，然后通入氩气维持石英管内的压强为260torr；所述靶材为ZnO靶材和Al2O3靶材，所述Al2O3靶材在所述ZnO靶材正上方且紧密接触，所述靶材与所述基板中心位置的水平距离为1.5cm，且所述基板与所述激光脉冲束在所述靶材的同一侧，所述激光脉冲束的入射光路与所述基板在所述激光脉冲束轰击靶材的交点所在的水平面的两侧；
(2)开启所述电炉升温到900～1000℃，维持恒温，开启所述激光脉冲发生器，调节所述透镜位置控制激光脉冲束轰击所述ZnO靶材20～30s，然后调节所述透镜位置控制激光脉冲束轰击所述Al2O3靶材10～15s，再依次调节所述透镜位置控制激光脉冲束轰击所述ZnO靶材30s、所述Al2O3靶材5s、所述ZnO靶材30s、所述Al2O3靶材5s，关闭所述激光发生器；其中，所述激光脉冲束的波长为248nm、能量为4J/cm2、频率为20Hz；
(3)关闭所述电炉，随炉冷却至室温即得到电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜。
优选地，所述基板选择蓝宝石基板。基板对于AZO薄膜的生长以及性质也有着至关重要的作用，申请人结合制备过程中所用材料和参数，通过试验，确定以蓝宝石为基板材质，得到的AZO薄膜的电学性能最佳，透明度也较高。
AZO薄膜的导电性主要来自于氧空位、Al3+置换Zn2+后的自由电子，本发明中，通过设置两个靶材，交叉轰击，得到多“层”状的AZO薄膜，每一次对Al2O3靶材轰击形成Al2O3靶材过程中，由于石英管中温度较高，扩散作用强烈，Al离子较为迅速地向ZnO“层”中扩散。扩散后的Al离子浓度，以每一Al2O3“层”为中心，形成一个浓度梯度，这种特殊的结构，增加了AZO薄膜的电学性能，其最小导电率约为9×10-4Ω·cm。并且，AZO薄膜中各元素的均匀程度，也相比于ZnO和Al2O3交替的层状结构更为均匀。另一方面，相比于以掺铝氧化锌为靶材得到的AZO薄膜，其中的铝离子分布又相对来说不均匀，铝离子的浓度梯度，也带来了不同的电学性能。
本发明公开的制备方法，通过控制不同靶材的轰击时间，可以得到不同成分和性能的AZO薄膜，适宜多种不同电学器件的应用。
附图说明
图1是实施例1中所用的制备电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜的设备示意图；
图2是实施例1制备得到的一种电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜的XRD图；
附图标记的名称为：1石英管、2电炉、3真空泵、4气体入口、5激光脉冲发生器、6第一反射镜、7第二反射镜、8透镜、9支架、10 ZnO靶材、11 Al2O3靶材、12基板、13靶材架、14激光脉冲束。
具体实施方式
以下为本发明的较佳的具体实施方式，用以对本发明进行解释和说明。
实施例1
一种电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜制备方法，该方法其所用的设备如图1所示，包括石英管1、电炉2、真空泵3、激光脉冲发生器5、第一反射镜6、第二反射镜7以及透镜8。
其中，石英管1的一端连接真空泵3，石英管1的另一端设置有气体入口4，石英管1中设置有靶材架13；电炉2为管式炉，用于对石英管1的中部进行加热；透镜8安装在可转动的支架9上，透镜8通过转动控制激光脉冲束14的焦点；激光脉冲发生器5发射的激光脉冲束14，依次通过第一反射镜6、第二反射镜7以及透镜8，轰击ZnO靶材10或Al2O3靶材11。
制备电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜的方法包括如下步骤：
(1)将ZnO靶材10和Al2O3靶材11安装在靶材架13上，其中Al2O3靶材在ZnO靶材正上方且紧密接触，靶材位于石英管1中部，将清洗过的蓝宝石基板12放置在石英管1中部，靶材与蓝宝石基板12中心位置的水平距离为1.5cm，且所述基板与所述激光脉冲束在所述靶材的同一侧，所述激光脉冲束的入射光路与所述基板在所述激光脉冲束轰击靶材的交点所在的水平面的两侧。开启真空泵3对石英管1抽真空，30min后关闭真空泵3，然后从气体入口4通入氩气20min；重复上述抽真空、通入氩气的步骤3次，然后通入氩气维持石英管1内的压强为260torr。
(2)开启电炉2升温到900℃，维持恒温，开启激光脉冲发生器5，调节透镜8位置，控制激光脉冲束14轰击ZnO靶材10，时间为20s，然后调节透镜8位置，控制激光脉冲束14轰击Al2O3靶材11，时间为10s，再依次调节透镜8位置控制激光脉冲束轰击ZnO靶材10为30s、Al2O3靶材11为5s、ZnO靶材10为30s、Al2O3靶材11为5s，关闭激光发生器5；其中，激光脉冲束14的波长为248nm、能量为4J/cm2、频率为20Hz。
(3)关闭电炉2，随炉冷却至室温即得到电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜。
图2是对得到的电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜进行XRD分析得到的衍射图，从图中可以看到，在2θ≈34.4°的位置的峰对应于(002)面，由此可以证明得到的AZO薄膜是以c轴为择优取向进行生长的，并且也可以证明，铝离子对锌原子进行了替代，即铝离子发生了扩散。
实施例2
一种电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜制备方法，其所用的设备同实施例1，该方法包括如下步骤：
(1)将ZnO靶材10和Al2O3靶材11安装在靶材架13上，其中Al2O3靶材在ZnO靶材正上方且紧密接触，靶材位于石英管1中部，将清洗过的玻璃基板12放置在石英管1中部，靶材与玻璃基板12中心位置的水平距离为1.5cm，且所述基板与所述激光脉冲束在所述靶材的同一侧，所述激光脉冲束的入射光路与所述基板在所述激光脉冲束轰击靶材的交点所在的水平面的两侧。开启真空泵3对石英管1抽真空，10min后关闭真空泵3，然后从气体入口4通入氩气20min；重复上述抽真空、通入氩气的步骤2次，然后通入氩气维持石英管1内的压强为260torr。
(2)开启电炉2升温到1000℃，维持恒温，开启激光脉冲发生器5，调节透镜8位置，控制激光脉冲束14轰击ZnO靶材10，时间为30s，然后调节透镜8位置，控制激光脉冲束14轰击Al2O3靶材11，时间为12s，再依次调节透镜8位置控制激光脉冲束轰击ZnO靶材10为30s、Al2O3靶材11为5s、ZnO靶材10为30s、Al2O3靶材11为5s，关闭激光发生器5；其中，激光脉冲束14的波长为248nm、能量为4J/cm2、频率为20Hz。
(3)关闭电炉2，随炉冷却至室温即得到电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜。

Claims (2)

1.一种电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜制备方法，其特征在于，
所述方法所用的设备包括石英管、电炉、真空泵、激光脉冲发生器、第一反射镜、第二反射镜以及透镜；其中，所述石英管的一端连接所述真空泵，所述石英管的另一端设置有气体入口，所述石英管中设置有靶材架，所述电炉为管式炉，对所述石英管的中部进行加热，所述透镜安装在可转动的支架上，所述透镜通过转动控制激光脉冲束的焦点，所述激光脉冲发生器发射的激光脉冲束，依次通过所述第一反射镜、所述第二反射镜以及所述透镜，轰击靶材；
所述方法包括如下步骤：
(1)将靶材安装在所述靶材架上，所述靶材在所述石英管中部，将清洗过的基板放置在所述石英管中部，开启所述真空泵对所述石英管抽真空，10～30min后关闭所述真空泵，然后从所述气体入口通入氩气20min；重复上述抽真空、通入氩气的步骤2～3次，然后通入氩气维持石英管内的压强为260torr；所述靶材为ZnO靶材和Al2O3靶材，所述Al2O3靶材在所述ZnO靶材正上方且紧密接触，所述靶材与所述基板中心位置的水平距离为1.5cm，且所述基板与所述激光脉冲束在所述靶材的同一侧，所述激光脉冲束的入射光路与所述基板在所述激光脉冲束轰击靶材的交点所在的水平面的两侧；
(2)开启所述电炉升温到900～1000℃，维持恒温，开启所述激光脉冲发生器，调节所述透镜位置控制激光脉冲束轰击所述ZnO靶材20～30s，然后调节所述透镜位置控制激光脉冲束轰击所述Al2O3靶材10～15s，再依次调节所述透镜位置控制激光脉冲束轰击所述ZnO靶材30s、所述Al2O3靶材5s、所述ZnO靶材30s、所述Al2O3靶材5s，关闭所述激光发生器；其中，所述激光脉冲束的波长为248nm、能量密度为4J/cm2、频率为20Hz；
(3)关闭所述电炉，随炉冷却至室温即得到电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜制备方法，其特征在于，所述基板为蓝宝石基板。
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