[发明专利]一种Al、F共掺杂ZnO基透明导电薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料领域，涉及一种Al、F共掺杂的ZnO基透明导电薄膜及其制备方法，特别是涉及一种制备Al、F共掺杂的n型透明导电氧化锌薄膜的方法。

背景技术

透明导电氧化物(transparent conductive oxide，TCO)薄膜是一类具有高导电性(高载流子、高迁移率、低电阻率)、在可见光区具有高透过率、在紫外光区又具有高吸收率、同时对红外光具有高反射率的特殊半导体光电材料。由于具有这些特殊性，TCO薄膜已经作为一个重要组成部分广泛应用于诸多光电器件，如：透明电极、发光二极管、平板显示器、太阳能电池、薄膜晶体管、透明加热元件、透明热反射材料等。

ZnO基TCO薄膜具有低成本、无毒、稳定性高等特点，引起了广泛的关注。纯ZnO是一种宽禁带(约3.3eV)直接带隙半导体材料。经过特殊掺杂后的ZnO薄膜具有优良的电学和光学性能，如文献InhoKim，Kyeong-Seok Lee，Taek Seong Lee，Jeung-hyun Jeong，Byeong-kiCheong，Young-Joon Baik，and Won Mok Kim.J.Appl.Phys.100，063701(2006).报道，采用双靶(Al₂O₃掺杂ZnO(ZAO)靶材和ZnF₂掺杂ZnO(ZFO)靶材)磁控溅射的方法制备了Al、F共掺杂ZnO(ZAFO)薄膜，其电阻率达到5.9×10^-4Ω·cm。由于ZnF₂熔点低(872℃)，易挥发，远远低于ZnO的烧结温度，并且具有很强的毒性，所以ZFO靶材成分不易制备。显然此方法工艺复杂，优质靶材制备困难。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用单靶制备出具有高导电性、高可见光透过率的ZAFO透明导电薄膜，简化镀膜工艺，改善薄膜的导电性和可见光透过率。

一种Al、F共掺杂的ZnO基透明导电薄膜及其制备方法，其特征在于利用射频磁控溅射设备，采用Al、F共掺杂的靶材在基片上沉积制备出具有高导电性、高可见光透过率的ZAFO透明导电薄膜，包括以下步骤：

1)，首先制作ZAFO靶材，所述的靶材为利用AlF₃、Al₂O₃和ZnO粉体，经过均匀混合后，分别制成不同F含量的ZAFO靶材。所述的靶材中含有0.5～3.0wt％的Al，0.82～3.28wt％的F，其余为ZnO；

2)，将步骤1)制作的ZAFO靶材，安装在射频磁控溅射沉积设备真空室内，用机械泵、分子泵把真空室的真空度抽到压强小于3×10^-3Pa，同时将基片温度加热到25℃～500℃；

3)，射频磁控溅射镀膜，通过调节工艺参数，采用射频磁控溅射在基片上制备ZAFO透明导电薄膜。

沉积工艺参数：真空室真空度为10～3×10^-4Pa；溅射气氛为高纯Ar气；流量为30sccm；溅射压强为0.3～0.7Pa；溅射功率为100～150W；直流偏压在100～220V；靶材基片距离为60mm；溅射时间为600～3000s。

所述的基片包括：石英片、硅片或各种玻璃基片。

本发明的特点是采用单一靶材制备Al、F共掺杂的ZnO透明导电薄膜，这一点区别于前人文献中所述的分别掺杂的制备方式，方法简单，易于控制F的掺入量。

本发明的优点：

本发明的方法简单，通过在ZnO中直接掺杂AlF₃和Al₂O₃制备靶材，实现了阴、阳离子在同一靶材的同时掺杂。通过改变AlF₃和Al₂O₃的不同比例来实现不同Al、F原子质量的比例，从而调整薄膜的载流子浓度和禁带宽度，改善薄膜的导电性和可见光透过率。此外，使用单一靶材溅射镀膜，也使镀膜工艺变得简单。

本发明制备的薄膜是透明的导电薄膜；本发明的透明导电薄膜在室温25℃时的电阻率均小于9×10^-4Ω·cm；本发明的透明导电薄膜在波长400～800nm可见光范围内平均透过率都大于85％；通过共掺杂Al、F原子并没有改变ZnO的晶体结构，且具有良好的(002)晶体取向。

附图说明

图1是F含量为2.46wt％的ZAFO透明导电薄膜晶体取向。

图2是F含量为0.82～3.28wt％的ZAFO透明导电薄膜的电阻率变化曲线。