專利名稱：一種Al、F共摻雜ZnO基透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料領(lǐng)域，涉及一種Al、 F共摻雜的ZnO基透 明導(dǎo)電薄膜及其制備方法，特別是涉及一種制備Al、 F共摻雜的n 型透明導(dǎo)電氧化鋅薄膜的方法。
背景技術(shù)：
透明導(dǎo)電氧化物(transparent conductive oxide ， TCO)薄膜是一 類具有高導(dǎo)電性(高載流子、高遷移率、低電阻率)、在可見(jiàn)光區(qū)具 有高透過(guò)率、在紫外光區(qū)又具有高吸收率、同時(shí)對(duì)紅外光具有高反射 率的特殊半導(dǎo)體光電材料。由于具有這些特殊性，TCO薄膜已經(jīng)作 為一個(gè)重要組成部分廣泛應(yīng)用于諸多光電器件，如透明電極、發(fā)光 二極管、平板顯示器、太陽(yáng)能電池、薄膜晶體管、透明加熱元件、透 明熱反射材料等。
ZnO基TCO薄膜具有低成本、無(wú)毒、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，引起了 廣泛的關(guān)注。純ZnO是一種寬禁帶(約3.3 eV)直接帶隙半導(dǎo)體材料。 經(jīng)過(guò)特殊摻雜后的ZnO薄膜具有優(yōu)良的電學(xué)和光學(xué)性能，如文獻(xiàn)Inho Kim， Kyeong-Seok Lee, Taek Seong Lee， Jeung-hyun Jeong, Byeong-ki Cheong, Young國(guó)Joon Baik， and Won Mok Kim.丄Appl. Phys.lOO， 063701(2006).報(bào)道，釆用雙耙(Al203摻雜ZnO (ZAO)耙材和ZnF2 摻雜ZnO(ZFO)靶材)磁控濺射的方法制備了 Al、 F共摻雜ZnO(ZAFO)薄膜，其電阻率達(dá)到5.9X1(T4 acm。由于ZnF2熔點(diǎn)低 (872°C)，易揮發(fā)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于ZnO的燒結(jié)溫度，并且具有很強(qiáng)的毒
性，所以ZFO靶材成分不易制備。顯然此方法工藝復(fù)雜，優(yōu)質(zhì)靶材
制備困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種采用單靶制備出具有高導(dǎo)電性、高可見(jiàn) 光透過(guò)率的ZAFO透明導(dǎo)電薄膜，簡(jiǎn)化鍍膜工藝，改善薄膜的導(dǎo)電性 和可見(jiàn)光透過(guò)率。
一種A1、 F共摻雜的ZnO基透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法，其特 征在于利用射頻磁控濺射設(shè)備，采用Al、 F共摻雜的靶材在基片上沉 積制備出具有高導(dǎo)電性、高可見(jiàn)光透過(guò)率的ZAFO透明導(dǎo)電薄膜，包 括以下步驟
1 )，首先制作ZAFO靶材，所述的靶材為利用A1F3、 A1203和ZnO 粉體，經(jīng)過(guò)均勻混合后，分別制成不同F(xiàn)含量的ZAFO靶材。所述 的靶材中含有0.5 3.0 wt。/。的Al， 0.82 3.28 wt^/。的F，其余為ZnO;
2) ，將步驟l)制作的ZAFO靶材，安裝在射頻磁控濺射沉積設(shè) 備真空室內(nèi)，用機(jī)械泵、分子泵把真空室的真空度抽到壓強(qiáng)小于3X l(T3Pa，同時(shí)將基片溫度加熱到25°C 500°C;
3) ，射頻磁控濺射鍍膜，通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，采用射頻磁控濺射 在基片上制備ZAFO透明導(dǎo)電薄膜。
沉積工藝參數(shù)真空室真空度為10 3Xl(r4Pa;濺射氣氛為高 純Ar氣；流量為30sccm;濺射壓強(qiáng)為0.3 0.7Pa;濺射功率為100 150W;直流偏壓在100 220V;靶材基片距離為60mm;濺射時(shí)間 為600 3000s。
所述的基片包括石英片、硅片或各種玻璃基片。
本發(fā)明的特點(diǎn)是采用單一靶材制備Al、 F共摻雜的ZnO透明導(dǎo) 電薄膜，這一點(diǎn)區(qū)別于前人文獻(xiàn)中所述的分別摻雜的制備方式，方法 簡(jiǎn)單，易于控制F的摻入量。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明的方法簡(jiǎn)單，通過(guò)在ZnO中直接摻雜A1F3和Al20s制備 靶材，實(shí)現(xiàn)了陰、陽(yáng)離子在同一靶材的同時(shí)摻雜。通過(guò)改變A1F3和 Al203的不同比例來(lái)實(shí)現(xiàn)不同Al、 F原子質(zhì)量的比例，從而調(diào)整薄膜 的載流子濃度和禁帶寬度，改善薄膜的導(dǎo)電性和可見(jiàn)光透過(guò)率。此外， 使用單一靶材濺射鍍膜，也使鍍膜工藝變得簡(jiǎn)單。
本發(fā)明制備的薄膜是透明的導(dǎo)電薄膜；本發(fā)明的透明導(dǎo)電薄膜在 室溫25°C時(shí)的電阻率均小于9X l(T4 ^cm;本發(fā)明的透明導(dǎo)電薄膜在 波長(zhǎng)400 800nm可見(jiàn)光范圍內(nèi)平均透過(guò)率都大于85%;通過(guò)共摻雜 Al、 F原子并沒(méi)有改變ZnO的晶體結(jié)構(gòu)，且具有良好的(002)晶體 取向。


圖1是F含量為2.46wtM的ZAFO透明導(dǎo)電薄膜晶體取向。 圖2是F含量為0.82 3.28wt。/。的ZAFO透明導(dǎo)電薄膜的電阻率 變化曲線。
圖3是F含量為0.82 3.28wt^的ZAFO透明導(dǎo)電薄膜 可見(jiàn)光透過(guò)率變化曲線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
制備A1、 F共摻雜n型透明導(dǎo)電氧化鋅薄膜，該薄膜中F含量為 2.46wt%。
1. 制備ZAFO靶材，選取O50mmX4mm的ZAFO耙材，該耙 材利用3.62wt%AlF3+0.75wt%Al2O3和ZnO粉體制成，該靶材含有 1.55wt%Al和2.46wt%F;
2. 將步驟l制作好的共摻雜ZAFO靶材，安裝在射頻磁控濺射 沉積設(shè)備真空室內(nèi)，用機(jī)械泵、分子泵把真空室的真空度抽到5X1(T4 Pa，基片加熱到溫度30(TC;
3. 射頻磁控濺射鍍膜，通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，采用射頻磁控濺射 在基片上制備ZAFO透明導(dǎo)電薄膜。
沉積工藝參數(shù)真空室真空度為5X1(T4 Pa;濺射氣氛為高純 Ar氣，流量為30 sccm;濺射壓強(qiáng)為0.5 Pa;濺射功率為150 W;自 偏壓在100V;靶材基片距離為60mm;基片溫度為30(TC;濺射時(shí) 間為1200 s。
制備的F含量為2.46wtn/。的透明導(dǎo)電薄膜在室溫25T:時(shí)的電阻率 為3.7X l(T4 n'cm;在波長(zhǎng)400 800 nm可見(jiàn)光范圍內(nèi)平均透過(guò)率為 92.48%;通過(guò)共摻雜A1、 F原子并沒(méi)有改變ZnO的晶體結(jié)構(gòu)，且具 有良好的(002)晶體取向，參見(jiàn)圖l所示。
按照實(shí)施例1的制備方法，繼續(xù)制備F含量分別為0.82wt%、1.52wt%、 3.28wt。/。的ZAFO透明導(dǎo)電薄膜。請(qǐng)參見(jiàn)圖2、圖3所示， 圖中表明了該透明導(dǎo)電薄膜隨F摻雜含量的不同電阻率以及透光率 的變化情況。 實(shí)施例2
制備Al、 F共摻雜n型透明導(dǎo)電氧化鋅薄膜，該薄膜中F含量為 3.28wt%。
1. 制備ZAFO靶材，選取O50mmX4mm的ZAFO靶材，該靶 材利用4.83 wt% A1F3和ZnO粉體制成，該靶材含有1.55 wt% Al和 3.28wt%F;
2. 將步驟l制作好的共摻雜ZAFO靶材，安裝在射頻磁控濺射 沉積設(shè)備真空室內(nèi)，用機(jī)械泵、分子泵把真空室的真空度抽到5X1(T4 Pa，基片加熱到溫度40(TC;
3. 射頻磁控濺射鍍膜，通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，采用射頻磁控濺射 在基片上制備ZAFO透明導(dǎo)電薄膜。
沉積工藝參數(shù)真空室真空度為5X10—4 Pa;濺射氣氛為高純 Ar氣；流量為30sccm;濺射壓強(qiáng)為0.5 Pa;濺射功率為150 W;直 流偏壓在100V;耙材基片距離為60mm;基片溫度為45(TC;濺射 時(shí)間為600s;真空450 。C原位退火60min。
制備的F含量為3.28 wty。的透明導(dǎo)電薄膜在室溫25"C時(shí)的電阻 率為8.2X l(T4 Q'cm;在波長(zhǎng)400 800 nm可見(jiàn)光范圍內(nèi)平均透過(guò)率 為91.53%;通過(guò)共摻雜A1、 F原子并沒(méi)有改變ZnO的晶體結(jié)構(gòu)，且 具有良好的(002)晶體取向。
權(quán)利要求
1.一種Al、F共摻雜的ZnO基透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法，其特征在于利用射頻磁控濺射設(shè)備，采用Al、F共摻雜的靶材在基片上沉積制備出具有高導(dǎo)電性、高可見(jiàn)光透過(guò)率的ZAFO透明導(dǎo)電薄膜，包括以下步驟1)，首先制作ZAFO靶材，利用AlF3、Al2O3和ZnO粉體，經(jīng)過(guò)均勻混合后，分別制成不同F(xiàn)含量的ZAFO靶材；ZAFO靶材中含有0.5～3.0wt％的Al，0.82～3.28wt％的F，其余為ZnO；2)，將步驟1)制作的ZAFO靶材，安裝在射頻磁控濺射沉積設(shè)備真空室內(nèi)，用機(jī)械泵、分子泵把真空室的真空度抽到壓強(qiáng)小于3×10-3Pa，同時(shí)將基片溫度加熱到25℃～500℃；3)，射頻磁控濺射鍍膜，通過(guò)調(diào)節(jié)沉積工藝參數(shù)，采用射頻磁控濺射在基片上制備ZAFO透明導(dǎo)電薄膜；沉積工藝參數(shù)真空室真空度為10～3×10-4Pa；濺射氣氛為高純Ar氣；流量為30sccm；濺射壓強(qiáng)為0.3～0.7Pa；濺射功率為100～150W；直流偏壓在100～220V；靶材基片距離為60mm；濺射時(shí)間為600～3000s；基片包括石英片、硅片或各種玻璃基片。
全文摘要
本發(fā)明屬于功能材料領(lǐng)域，涉及一種Al、F共摻雜的ZnO基透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法。其特征是包括以下步驟1)，首先制作ZAFO靶材，利用AlF₃、Al₂O₃和ZnO粉體，經(jīng)過(guò)均勻混合后，分別制成不同F(xiàn)含量的ZAFO靶材；ZAFO靶材中含有0.5～3.0wt％的Al，0.82～3.28wt％的F，其余為ZnO；2)，將制作好的ZAFO靶材，安裝在射頻磁控濺射沉積設(shè)備真空室內(nèi)，用機(jī)械泵、分子泵把真空室的真空度抽到壓強(qiáng)小于3×10^-3Pa，同時(shí)將基片溫度加熱到25℃～500℃；通過(guò)調(diào)節(jié)沉積工藝參數(shù)，采用射頻磁控濺射在基片上制備ZAFO透明導(dǎo)電薄膜。本發(fā)明簡(jiǎn)化了鍍膜工藝，改善了薄膜的導(dǎo)電性和可見(jiàn)光透過(guò)率。
文檔編號(hào)C23C14/35GK101575697SQ20091008616
公開日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者勃 康, 王媛媛, 王永剛, 王目孔, 章菊萍, 趙素麗, 馬瑞新 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)