[发明专利]一种提高掺铝ZnO透明导电薄膜AZO导电性和稳定性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对AZO透明导电薄膜的后处理方法。对于用磁控溅射制备 的AZO薄膜，采用Zn气氛退火的方法改善薄膜的导电性和稳定性。

背景技术

对可见光的平均透过率高(＞80％)、电阻率低(＜10^-3Ω·cm)的透明导电薄膜 在太阳能电池、平板显示器、薄膜晶体管(TFT)、气敏元件、抗静电涂层、波 导器件和红外反射窗口等领域有广阔的应用前景。相对于SnO₂(NESA)或掺 Sn的In₂O₃(ITO)等透明导电薄膜，AZO薄膜具有如下优点：(1)原料充足价 格便宜；(2)对环境无毒害；(3)抗辐射能力强；(4)通过控制Al的掺杂量可 以方便的调控薄膜的电学性能；(5)成膜方法便宜简单。所以AZO薄膜很可能 可以取代NESA或ITO等透明导电薄膜。

基于商用上降低成本的需要，目前绝大多数的AZO薄膜都是利用设备相对 简单价格相对便宜的磁控溅射制备的。由于其导电源自薄膜中的Zn间隙和O空 位缺陷，导致了制备的薄膜迁移率不高而且不够稳定，特别是在较高的环境温 度下，其电阻率上升较快。因而迫切需要一种方法对磁控溅射制备的AZO薄膜 进行再次的处理，使其导电不在源自缺陷从而增加其迁移率和稳定性。

发明内容

鉴于磁控溅射制备的AZO薄膜迁移率低而且不够稳定，本发明的目的在于 提供一种对磁控溅射制备后的薄膜再次处理的方法，以获取同时具有高迁移率 和高载流子浓度的稳定低阻AZO薄膜。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：将磁控溅射制备出的AZO薄膜暴 露于Zn蒸气中退火，在由于Al³⁺取代Zn²⁺而导致的空位上填充一个Zn原子。 由于此Zn原子能够提供2个电子作为载流子参与电输运，所以能获得稳定的较 高载流子浓度；另一方面由于Zn原子填补了空位，使薄膜的迁移率得到了大大 的提升。经过此处理后的薄膜电导率和稳定性均得到了极大的提升。

具体步骤如下：

(1)在玻璃或石英衬底上利用磁控溅射制备出AZO薄膜，为了尽量减少 氧空位的出现保持晶格完整，此过程可以在工作气体氩气中混入少量的氧气。

(2)把沉积有AZO薄膜的衬底和纯净的金属Zn粒，密封在一个干净的真 空容器中(如石英管)，并保持容器的真空度。

(3)加热(2)中密封好的容器，使其升至500℃到1000℃之间的某一设 定温度，维持此温度在60分钟以内的某一设定时间，自然冷却到室温，破真空 并取出薄膜，测量其电学性能。

本发明工作原理为：根据化合价守恒，在用磁控溅射制备AZO薄膜时会出 现2个Al³⁺取代3个Zn²⁺从而引入一个Zn空位的情况。通过一定温度下的Zn 气氛退火，在空位处填上Zn原子。此填入的Zn原子不仅完善了晶格还能能提 供2个电子作为载流子参与电输运。因而大大提高了AZO薄膜的电导和稳定性。

本发明的有益效果：Zn气氛退火使AZO薄膜的迁移率和载流子浓度同时获 得了极大地提升，其电阻率急剧的下降，最多可以从2.37×10³(Ωcm)降至 1.55×10^-4(Ωcm)，经过退火薄膜的稳定性也大大增加。退火后的薄膜置于100℃ 空气中经过3个月，电阻率维持在1.55×10^-4Ω·cm没有任何变化。

具体实施方式：

实施例1：

在成膜气体只有氩气的情况下，用磁控溅射沉积AZO薄膜在玻璃衬底上， 采用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度。经过Zn气氛 600℃30分钟的退火后，再次用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载 流子浓度。退火前后AZO薄膜的电学性能对比如表1所示。

表1  退火前后AZO薄膜的电学性能对比

实施例2：

在成膜气体中的氧气和氩气的比例为1∶4的情况下，用磁控溅射沉积AZO 薄膜在玻璃衬底上，采用范德堡四电极法测出薄膜的电阻率、迁移率和载流子 浓度。经过Zn气氛600℃30分钟的退火后，再次用范德堡四电极法测出薄膜的 电阻率、迁移率和载流子浓度。退火前后AZO薄膜的电学性能对比如表2所示。

表2  退火前后AZO薄膜的电学性能对比