[发明专利]一种氟掺杂生长n型透明导电ZnO晶体薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及n型透明导电ZnO晶体薄膜的生长方法，尤其是F掺杂生长n型透明导电ZnO晶体薄膜的方法。

背景技术

透明导电氧化物(TCO)薄膜是一种重要的光电材料，因其具有接近金属的导电性、可见光范围内的高透射率、对红外线的高反射率及其半导体等特性，在太阳能电池透明电极、平板液晶显示器、发光二极管、热反射镜、建筑用节能玻璃窗和气敏传感器等众多领域得到广泛应用。目前，已经商业化应用的TCO薄膜主要是In₂O₃:Sn(ITO)和SnO₂:F(FTO)两类。ITO薄膜的性能虽好，但由于其含有贵金属铟，成本较高。因此，无铟或少铟的透明导电氧化物材料越来越受到青睐。ZnO是一种宽带隙(3.3 eV)的化合物半导体材料，具有原料丰富、价格便宜、无毒，易于实现掺杂，且其沉积温度相对较低和在等离子体环境中稳定性好等优点，是一种光电性能优良的新一代透明导电材料，最终很有可能成为ITO的替代品，尤其是在太阳能电池透明电极领域。

在ZnO的n型掺杂元素B，Al，Ga，In，F中，F具有如下特点：(1)F和O的离子半径十分相近，因此F离子代替O离子的格位不会引起大的晶格畸变；(2)F的氧化性较强，不易从晶格中逃逸，使得F掺杂成为可能，其钝化效应得以体现；(3)F代替O的格位，能多余一个电子，起到施主掺杂的作用，进而提高ZnO薄膜的导电性；(4)由ZnO的能带结构可知，价带最高能级主要是由O2p轨道组成，当F以替位形式占据O格点时主要是对价带产生微扰，而使导带电子相对无散射，有利于提高电子迁移率。另外，理论研究表明，F作为掺杂元素在ZnO中的施主能级距导带底仅为0.08 eV，比Al(0.12 eV)更小，是一种良好的n型掺杂元素。另外，F掺杂的ZnO(ZnO:F)透明导电薄膜有较长的等离子波长λ_p＞2μm，可以均涂于双层中空玻璃窗，作为寒冷地带的低发射率玻璃，能让大部分太阳光(可见及近红外)透过玻璃进入室内，而反射回屋内物体发出的中远红外光，达到节约热能之目的。然而，目前制备ZnO:F透明导电薄膜的方法主要集中于化学气相沉积，喷雾热解等化学方法，而很少采用物理方法。脉冲激光沉积法具有沉积参数易控、易保持薄膜与靶成分一致、能实现实时掺杂且生长的薄膜质量好等优点，具有广阔的应用前景，是目前制备ZnO基TCO薄膜最有效和最有发展前途的制备技术之一。但是到目前为止还没有用这种方法进行过F掺杂n型透明导电ZnO晶体薄膜生长。

发明内容

本发明的目的是克服目前n型ZnO掺杂所存在的不足，提供一种氟掺杂生长n型透明导电ZnO晶体薄膜的方法。

本发明的氟掺杂生长n型透明导电ZnO晶体薄膜的方法，采用的是脉冲激光沉积法，其步骤如下：

1)称量纯氧化锌和纯氟化锌粉末，其中氟化锌的摩尔含量为1～3％，经球磨混合后压制成型，然后在800～1060℃烧结3小时以上，制得靶材。

2)将清洗后的衬底放入脉冲激光沉积装置的生长室中，靶材与衬底之间的距离为5cm，生长室背底真空度抽至10^-4Pa，然后加热衬底，使衬底温度为30～500℃，以纯O₂为生长气氛，控制O₂压强0.05～0.5Pa，激光频率为3～5Hz，进行生长，生长后的薄膜在氧气保护气氛下冷却至室温。

上述的衬底可以是硅、蓝宝石、玻璃或石英。所说的氧气纯度为99.99％以上。纯氧化锌和纯氟化锌的纯度分别为99.99％。

本发明通过调节靶材中所掺F的摩尔含量、衬底温度和生长气氛压强，可以制备不同掺杂浓度的n型透明导电ZnO晶体薄膜，生长的时间由所需的厚度决定。

本发明的优点：

1)可以实现实时掺杂，在ZnO晶体薄膜生长过程中同时实现n型掺杂；

2)掺杂浓度可以通过调节生长温度和靶材中F的摩尔含量来控制；

3)制备的ZnO晶体薄膜具有良好的光电性能，同时重复性和稳定性好。

附图说明

图1是本发明方法采用的脉冲激光沉积装置示意图，图中：1为激光器；2为生长室；3为靶材；4为衬底；

图2是实施例1的ZnO晶体薄膜的x射线衍射(XRD)图谱；

图3是实施例1的ZnO晶体薄膜的光学透射谱。

具体实施方式

以下结合具体实例进一步说明本发明。

实施例1