[发明专利]铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的低温制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种透明导电薄膜的低温制备方法，特别是涉及一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的低温制备方法。

背景技术：

透明导电氧化物(TCO)材料可用于光电器件中的电极材料，包括光伏电池，平板显示及有机发光二极管等。目前广泛使用的TCO材料是氧化铟锡(ITO)，因为ITO具有良好的电导性并在整个可见光波段具有优异的透射率。然而，由于地球上铟元素储量相对稀少、使用成本高，人们正在寻找能替代氧化铟锡的透明导电氧化物。铝掺杂氧化锌(AZO)是目前研究较多的可替代氧化铟锡材料中的一种。铝掺杂氧化锌可以通过多种方法制备，包括直流、射频溅射，脉冲激光沉积，化学气相沉积以及溶胶凝胶的方法。磁控溅射、脉冲激光沉积铝掺杂氧化锌薄膜，对设备、原材料、工艺参数等要求高；化学气相沉积及溶胶凝胶虽然对设备要求低，但成膜的质量和间距覆盖度(step coverage)不够好。

原子层沉积(ALD)技术制备薄膜受到越来越多的关注，因为它受基底形貌的影响较小，能够在较大长径比表面上沉积保型性很好的薄膜，且薄膜无针孔，成膜质量好。这主要来源于原子层沉积属于自限表面化学反应，薄膜的厚度可简单由化学反应的循环数量精确地控制。原子层沉积技术可以在低温甚至是常温下制备多种半导体薄膜材料。原子级的精确控制和优异的保型性使原子层沉积技术成为纳米材料、纳米器件制备的首选。

发明内容

本发明的目的针对当前技术的不足，提供一种透明导电氧化物薄膜的制备方法，即使用原子层沉积技术(ALD)制备AZO薄膜。应用原子层沉积方法，铝掺杂的量可以任意的调节。在优化工艺条件下，能在较低温度下沉积AZO，因此可在高分子聚合物等低熔点、柔性衬底上沉积AZO薄膜。这大大扩宽了在AZO薄膜的应用范围。

本发明提供一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的低温制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、用真空泵将反应腔抽到20hPa以下的低真空并加热到100～150摄氏度，再用纯度为5N的高纯氮清洗反应腔；

步骤二、将衬底在高纯去离子水中超声清洗10-30分钟，用高纯氮枪吹干，保持衬底有清洁的表面；

步骤三、将二乙基锌通入反应腔脉冲时间0.1秒，清洗二乙基锌的脉冲时间为3秒；然后通入0.2秒的水蒸汽脉冲，再用4秒脉冲时间清洗掉多余的水蒸汽，完成一个沉积氧化锌的循环；

步骤四、将三甲基铝通入0.2秒脉冲时间，清洗脉冲时间为4秒；然后通入水蒸汽脉冲0.2秒，清洗脉冲时间4秒，完成一个沉积氧化铝的循环；

步骤五、多个沉积氧化锌的循环和1个沉积氧化铝的循环组成一个大循环，完成多个大循环后即制得铝掺杂氧化锌透明导电薄膜。

所述大循环为20-30个沉积氧化锌的循环和1个沉积氧化铝的循环组成一个大循环，完成16-23个大循环后即制得铝掺杂氧化锌透明导电薄膜。

运用原子层沉积技术低温下沉积的AZO薄膜在可见光波段的光学透过率达到80％以上，电阻率基本在10^-4Ωcm数量级，具有优良的光学透过率和电阻率，在用于太阳能电池和有机发光二极管等器件的电极方面有很大应用潜力。

本方法的优点是：与传统的AZO薄膜的制备方法相比，无需高真空，且能在低温下制备保型性好、无针孔的高质量薄膜；对铝的掺杂量能达到可重复的、精确的数字化控制。

具体实施方式：

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

用真空泵将反应腔抽到20hPa以下的低真空并加热到特定反应温度，再用纯度为5N的高纯氮清洗反应腔。将衬底在高纯去离子水中超声清洗10-30分钟，高纯氮枪吹干，放入反应腔，待反应腔温度达到150摄氏度。

将前驱体二乙基锌通入反应腔，脉冲时间0.1s，清洗二乙基锌的脉冲时间为3s；然后通入0.2s的水蒸汽脉冲，再用4s脉冲时间清洗掉多余的水蒸汽。至此完成一个循环的氧化锌薄膜的沉积。进行30个这样的循环后，通入0.2s脉冲时间的前驱体三甲基铝，使其以化学的方式饱和吸附在氧化锌层的表面，再用4s脉冲清洗掉多余的铝前驱体；然后通入水蒸汽脉冲0.2s，再用4s的高纯氮气脉冲清洗掉多余的水蒸汽，完成一个循环的氧化铝的沉积。30个沉积氧化锌的循环和1个沉积氧化铝的循环组成一个大循环，在完成16个大循环后得到496个总沉积循环数的AZO薄膜。

此实施例中的AZO膜厚度约为97nm，在可见光波段的光学透过率大于85％，电阻率为8×10^-4Ωcm，铝的掺杂量为2.8at.％。

实施例2：