專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu₂O基p型透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體薄膜技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有P型導(dǎo)電特性、高電導(dǎo)率、高載流子濃度、透明氧化物薄膜及其制備技術(shù)，具體是指一種高導(dǎo)電性能P型透明導(dǎo)電摻雜氧化亞銅薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜是廣泛應(yīng)用在平板顯示、太陽(yáng)能電池、透明器件及氣敏傳感器等諸多領(lǐng)域的新型半導(dǎo)體材料。在研究與應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)通過(guò)摻雜制備出來(lái)的η型TCO薄膜室溫導(dǎo)電性能極佳，如典型的η型TCO薄膜:Sn摻雜In2O3基薄膜(ΙΤ0)的電導(dǎo)率一般在IO3S ^nT1以上，和金屬導(dǎo)電性能接近。然而研究發(fā)現(xiàn)大部分具有P型導(dǎo)電特性的TCO薄膜，其室溫導(dǎo)電性能與η型TCO薄膜相比一般在KT1S.cm-1以下，和電介質(zhì)導(dǎo)電性能接近。由于P型TCO薄膜的導(dǎo)電性不佳，極大的限制了 TCO薄膜在透明同質(zhì)或異質(zhì)PN結(jié)、透明場(chǎng)效應(yīng)管(FET)及透明柔性顯示等透明器件的研究與應(yīng)用。一直以來(lái)提高P型 TCO薄膜的室溫導(dǎo)電性能是TCO薄膜研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。氧化亞銅(Cu2O)具有反螢石晶體結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)中存在Cu-O-Cu的高度對(duì)稱(chēng)空間網(wǎng)狀化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)。未摻雜的氧化亞銅在室溫下穩(wěn)定存在一定量的Cu空位(Cu vacancies)在其結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致表現(xiàn)出P型導(dǎo)電特性。有人研究在氧化亞銅結(jié)構(gòu)摻雜一定量的+3價(jià)金屬離子如Al、In、Sc等,其晶體結(jié)構(gòu)由反螢石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殂~鐵礦型晶體結(jié)構(gòu),其晶體結(jié)構(gòu)仍存在聞度對(duì)稱(chēng)的Cu-O-Cu化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)，其空穴載流子遷移率得到提高，改善室溫其P型導(dǎo)電性能；這種慘雜方法被稱(chēng)為化學(xué)修飾價(jià)帶法(chemical modulation of the valence band, CMVB) 這樣的摻雜方法要求改變基體材料的晶體結(jié)構(gòu)，工藝復(fù)雜，薄膜制備率低。有人研究在不改變氧化亞銅薄膜基本晶體結(jié)構(gòu)的前提下，摻雜+2、+3及+4價(jià)的金屬離子來(lái)增加Cu空位數(shù)量或者部分改變Cu-O-Cu化學(xué)鍵合狀態(tài)來(lái)提高空穴載流子數(shù)或遷移率，改善其室溫P型導(dǎo)電性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有P型透明導(dǎo)電薄膜室溫導(dǎo)電性差，空穴載流子濃度低問(wèn)題，提供了一種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法。通過(guò)反應(yīng)磁控濺射的方法，控制反應(yīng)濺射工藝參數(shù)，制備出一系列不同Ag含量摻雜的Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜，具體制備方法包括如下步驟:步驟一:準(zhǔn)備基片:將基片先使用丙酮超聲清洗IOmin以上，吹干，再用乙醇溶液(分析醇)超聲清洗IOmin以上，吹干。所述的丙酮超聲清洗和乙醇溶液超聲清洗各洗一遍以上。所述的基片為7095玻璃基片、石英基片或Si單晶基片，基片的厚度為0.5 2mm。步驟二:將基片固定在磁控濺射儀的樣品臺(tái)上，然后將樣品臺(tái)放入磁控濺射儀的真空室。步驟三:將Cu靶(純度大于等于99.99%)放入真空室，固定在靶位上，表面貼上Ag片(純度大于等于99.99%);或者將Cu-Ag合金靶放入真空室，固定在靶位上，Ag與Cu的原子比為 x，0〈x〈50:50。步驟四:將磁控濺射儀的真空室抽真空，當(dāng)真空室的真空度達(dá)到預(yù)定值4.0 5.0X10_4Pa后，向真空室中充入高純O2氣，使真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在0.1 1.5Pa。步驟五:繼續(xù)向真空室中充入高純Ar氣，使真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在2.0 5.0Pa ;派射相同Ag摻雜含量的薄膜,無(wú)論合金祀材還是Ag貼片方式,Ar氣與O2氣的氣壓比不變；如采用合金靶材濺射，真空室內(nèi)總氣壓1.0 2.0Pa0如采用Ag貼片加Cu靶方式濺射，真空室內(nèi)總氣壓不低于2.0Pa0步驟六:打開(kāi)雙極脈沖電源加正電壓100 200V，負(fù)極電壓200 430V，電流
0.15 0.7A，開(kāi)始沉積?？刂瞥练e時(shí)間達(dá)到30 150s后，停止沉積，制備出Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜。通過(guò)上述制備方法得到的Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜的晶體結(jié)構(gòu)保持反螢石結(jié)構(gòu)，其中Ag與Cu原子比在O 50的范圍內(nèi)可調(diào)。摻雜后薄膜的電阻率為0.42 36.2 Ω.cm,載流子濃度為 1.47 X IO19 1.18 X IO21CnT3,遷移率 μ 為 0.013 0.083cm2/`N.S0優(yōu)選Ag的摻雜量在22% 30%范圍內(nèi)，電阻率到0.42 0.67 Ω.cm ;載流子濃度N7.36 XlO2ci 1.18 X 1021cm_3。其中Ag與Cu原子比為3:7的摻雜薄膜其室溫P型導(dǎo)電性能最佳，電阻率為0.42 Ω.cm,空穴載流子濃度為1.18 X 1021cnT3，透光率在40 60%。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:( I)本發(fā)明Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜具有優(yōu)良的室溫導(dǎo)電性能，電阻率為僅0.42 Ω.Cm,空穴載流子濃度達(dá)到1.18X 1021cm_3。(2)本發(fā)明提供Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜制備方法，可以實(shí)現(xiàn)Ag的原子百分含量在50%以?xún)?nèi)可調(diào)，得到的薄膜仍保持反螢石晶體結(jié)構(gòu)。


圖1為本發(fā)明制備得到的薄膜中不同Ag摻雜量與室溫電阻率關(guān)系圖；圖2為本發(fā)明制備得到的薄膜中不同Ag摻雜量與空穴載流子濃度及遷移率關(guān)系圖；圖3為本發(fā)明制備得到的薄膜中不同Ag摻雜量Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜的X射線(xiàn)衍射圖譜。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有P型透明導(dǎo)電薄膜室溫導(dǎo)電性差，空穴載流子濃度低問(wèn)題，提供了一種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法。通過(guò)反應(yīng)磁控濺射的方法，控制反應(yīng)濺射工藝參數(shù)，制備出Ag (原子百分含量50%以?xún)?nèi))摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜。所述的高導(dǎo)電性Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜通過(guò)如下制備方法制備得至IJ，具體包括以下幾個(gè)步驟:步驟一:準(zhǔn)備基片，將基片先使用丙酮超聲清洗IOmin以上，吹干，再用乙醇溶液(分析醇)超聲清洗IOmin以上，吹干。所述的丙酮超聲清洗和乙醇溶液超聲清洗各洗一遍以上。所述的基片為7095玻璃基片、石英基片或Si單晶基片，基片的厚度為0.5 2mm。步驟二:將基片固定在磁控濺射儀的樣品臺(tái)上，然后將樣品臺(tái)放入磁控濺射儀的
真空室。步驟三:將Cu靶(純度大于等于99.99%)放入真空室，固定在靶位上，表面貼上Ag片(純度大于等于99.99%)?；蛘邔u-Ag合金靶放入真空室，固定在靶位上，Ag與Cu的原子比為χ，0〈χ〈1。步驟四:將磁控濺射儀的真空室抽真空，當(dāng)真空室的真空度達(dá)到預(yù)定值4.0 5.0X 10_4Pa后，向真空室中充入高純O2氣，待真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在0.1 1.5Pa。步驟五:繼續(xù)向真空室中充入高純Ar氣，待真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在2.0 5.0Pa0如采用合金靶材濺射，真空室內(nèi)總氣壓 1.0 2.0Pa，其中氧氣壓力和氬氣壓力的比例保持不變。如采用Ag貼片加Cu靶方式濺射，真空室內(nèi)總氣壓不低于2.0Pa0步驟六:打開(kāi)雙極脈沖電源加正電壓100 200V，負(fù)極電壓200 430V，電流
0.15 0.7A開(kāi)始沉積?？刂瞥练e時(shí)間達(dá)到30 150s后，停止沉積，制備出Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜。上述制備方法制備得到的Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜的晶體結(jié)構(gòu)保持反螢石結(jié)構(gòu)，其中Ag與Cu原子比在O 50的范圍內(nèi)可調(diào)。摻雜后薄膜的電阻率為0.42 36.2 Ω.cm,載流子濃度為 1.47 X IO19 1.18 X IO21CnT3,遷移率 μ 為 0.013 0.083cm2/
N.S0優(yōu)選Ag的摻雜量在22% 30%范圍內(nèi)，電阻率到0.42 0.67 Ω.cm ;載流子濃度N7.36 X IO20 1.18X 1021cm_3。當(dāng)Ag與Cu原子比為3:7時(shí)，所得摻雜薄膜其室溫P型導(dǎo)電性能最佳，電阻率為0.42 Ω.cm,空穴載流子濃度為1.18 X 1021cnT3，透光率在40 60%。對(duì)比實(shí)施例1采用本發(fā)明提供的制備方法制備未摻雜的Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜，具體步驟如下:步驟一:準(zhǔn)備基片，將基片先使用丙酮超聲清洗IOmin以上，吹干，再用乙醇溶液(分析醇)超聲清洗IOmin以上，吹干。所述的基片為7095玻璃基片，基片的厚度為2mm。步驟二:將基片固定在磁控濺射儀的樣品臺(tái)上，然后將樣品臺(tái)放入磁控濺射儀的
真空室。步驟三:將Cu靶(純度大于等于99.99%)放入真空室，固定在靶位上。步驟四:將磁控濺射儀的真空室抽真空，當(dāng)真空室的真空度達(dá)到預(yù)定值
5.0X 10_4Pa后，向真空室中充入高純O2氣，待真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在1.5Pa ；步驟五:繼續(xù)向真空室中充入高純Ar氣，待真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在5.0Pa ；步驟六:打開(kāi)雙極脈沖電源加正電壓100V，負(fù)極電壓200V，電流0.7A開(kāi)始沉積?？刂瞥练e時(shí)間達(dá)到30s后，停止沉積，制備出Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜。
所制備出的未摻雜薄膜的結(jié)構(gòu)如圖3中所示，其晶體結(jié)構(gòu)為反螢石結(jié)構(gòu)；室溫P型導(dǎo)電性能測(cè)試結(jié)果如下表I中所示:表I未摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜的室溫導(dǎo)電性能
權(quán)利要求
1.一種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征在于: 步驟一:準(zhǔn)備基片:將基片先使用丙酮超聲清洗IOmin以上，吹干，再用乙醇溶液超聲清洗IOmin以上，吹干；所述的丙酮超聲清洗和乙醇溶液超聲清洗各洗一遍以上； 步驟二:將基片固定在磁控濺射儀的樣品臺(tái)上，然后將樣品臺(tái)放入磁控濺射儀的真空室; 步驟三:將Cu靶放入真空室，固定在靶位上，表面貼上Ag片；或者采用Cu-Ag合金靶；步驟四:將磁控濺射儀的真空室抽真空，當(dāng)真空室的真空度達(dá)到預(yù)定值4.0 5.0X10_4Pa后，向真空室中充入高純O2氣，使真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在0.1 1.5Pa; 步驟五:繼續(xù)向真空室中充入高純Ar氣，使真空室內(nèi)氣體壓力穩(wěn)定在2.0 5.0Pa ;如果是合金靶，氧氣和氬氣的壓力比不變，真空室內(nèi)總壓力L O 2.0Pa ； 步驟六:打開(kāi)雙極脈沖電源加正電壓100 200V，負(fù)極電壓200 430V，電流0.15 0.7A，開(kāi)始沉積；控制沉積時(shí)間達(dá)到30 150s后，停止沉積，制備出Ag摻雜Cu2O基p型透明導(dǎo)電薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征在于:所述的基片為7095玻璃基片、石英基片或Si單晶基片，基片的厚度為0.5 2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征在于:步驟三中Ag與Cu的原子比為x，0〈x〈50:50。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征在于=Ag與Cu的原子比為X，22:78彡X彡30:70。
5.—種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜,其特征在于:所述Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜的晶體結(jié)構(gòu)保持反螢石結(jié)構(gòu)，其中Ag與Cu原子比X為0〈x〈50:50。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于:所述Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜的電阻率為0.42 36.2 Ω.cm，載流子濃度為 1.47X IO19 1.18X 1021cnT3，遷移率 μ 為 0.013 0.083cm2/V *s，透光率在 40 60%。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于:所述Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜中Ag的原子百分含量為22% 30%范圍內(nèi)，電阻率 0.42 0.67 Ω.cm;載流子濃度 N 為 7.36 XlO2ci 1.18X1021cnT3。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于:所述Ag摻雜Cu2O基P型透明導(dǎo)電薄膜中，Ag與Cu原子比為3:7的摻雜薄膜其室溫電阻率為0.42 Ω.cm,空穴載流子濃度為1.18X 1021cm_3。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高導(dǎo)電性能Ag摻雜Cu2O基p型透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法，涉及半導(dǎo)體薄膜技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用反應(yīng)磁控濺射的方法，控制反應(yīng)濺射工藝參數(shù)，制備出一系列不同Ag含量摻雜的Cu2O基p型透明導(dǎo)電薄膜，通過(guò)上述制備方法得到的Ag摻雜Cu2O基p型透明導(dǎo)電薄膜的晶體結(jié)構(gòu)保持反螢石結(jié)構(gòu)，其中Ag與Cu原子比在0～1的范圍內(nèi)可調(diào)。摻雜后薄膜的電阻率為0.42～36.2Ω·cm,載流子濃度為1.47×1019～1.18×1021cm-3,遷移率μ為0.013～0.083cm2/V·s。本發(fā)明為了解決現(xiàn)有p型透明導(dǎo)電薄膜室溫導(dǎo)電性差，空穴載流子濃度低問(wèn)題。
文檔編號(hào)C23C14/08GK103173733SQ20131007530
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者畢曉昉, 黃欽, 王柳 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)