[发明专利]一种透明导电氧化物CuAlO2薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电薄膜材料，特别是一种可用于发光二极管、太阳能电池、平面显示器等光电器件的透明导电氧化物CuAlO₂薄膜的制备方法。

背景技术

透明导电氧化物（transparent conducting oxide，简称TCO）薄膜具有禁带宽、电阻率低、可见光范围光学透过率高和红外光谱区域光反射率高等特性而被广泛用作太阳能电池、平面显示、电磁防护罩、功能窗、传感器以及其它光电器件领域。TCO薄膜虽取得了蓬勃发展，但目前的透明导电薄膜多为n型，且一直局限于作为单一的电学或光学薄膜使用，并没有制成真正意义上的“透明器件”。而只有n型和p型导电材料构成的p-n结才能制作成半导体器件，p型TCO材料是制作透明p-n结的必不可少的材料。但p型TCO薄膜发展较为缓慢，常见的p型导电薄膜很少，而且比n型导电薄膜的电导率要低3-4个数量级，因而难以制成具有良好性能的p-n结，制约了半导体相关器件的开发和应用。

CuAlO₂是首先被报道，也是Cu⁺基铜铁矿氧化物中最重要的一种材料。CuAlO₂是铜铁矿结构的晶体材料，间接带隙E_g=1.8eV，直接带隙Eg=3.5eV。该晶胞中有4个原子，具有3个特征结构单元:平行c轴分布的O-Cu-O哑铃结构；垂直c轴的六角Cu层；以及AlO₂共边八面体，其中Al位于八面体中心，Al-O结合作为支撑O-Cu-O结构的分子骨架。哑铃O-Cu-O层和共边八面体层(AlO₂)交替、沿c轴堆垛排列，所以CuAlO₂是一种层状的天然超晶格结构，这种结构使得CuAlO₂具有各向异性。p型CuAlO₂薄膜的发现突破了长期以来p型TCO薄膜难以逾越的界限，为制备透明薄膜p-n结二极管和透明晶体管奠定了基础，开辟了半导体材料与器件中一个基于“透明”意义的崭新的领域。以CuAlO₂为代表的Cu⁺基透明导电氧化物薄膜的应用研究主要集中在与n型半导体材料ZnO结合，制备透明p-n结、场效应晶体管（FET）、室温深紫外LED有源器件以及传感器等。除此之外，最近又发现CuAlO₂具有光伏特性、对臭氧的气敏特性、场发射特性、热电特性以及光催化特性等。

迄今为止，不同的研究者已经用磁控溅射法、电子束蒸发、喷涂热分解、溶胶-凝胶等已成功地制备出CuAlO₂薄膜，但由于CuAlO₂薄膜的晶化温度高，薄膜制备过程中需要非常高的衬底温度，因而所制备的薄膜中CuAlO₂相含量偏低，且薄膜结晶度不高。中国专利（CN201210059150.0）公布了采用电子束蒸发镀膜技术制备p型CuAlO₂透明导电薄膜的方法，以Cu₂O和Al₂O₃为原料，通过研磨和烧结制备了CuAlO₂陶瓷靶材，在不通入任何反应气体的条件下，将烧结好的CuAlO₂陶瓷靶材放入电子束蒸发镀膜系统中进行电子束蒸发镀膜，得到了p型CuAlO₂透明导电薄膜。中国专利（CN201210042541.1）采用高真空磁控溅射工艺，通过共靶溅射和两步退火方式，制备了CuAlO₂透明导电薄膜。中国专利（CN200910218867.3）以一水乙酸铜和九水硝酸铝为原料，公布了一种微波水热法制备CuAlO₂透明导电薄膜的方法。

总之，现有制备方法难以达到CuAlO₂相高结晶温度（1000℃以上）和所制备的薄膜中CuAlO₂相含量偏低、薄膜结晶质量差。

发明内容

本发明的目的是提供了一种结晶质量高的透明导电氧化物CuAlO₂薄膜的制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种透明导电氧化物CuAlO₂薄膜的制备方法，采用脉冲激光等离子体沉积技术，以CuAlO₂为靶材，在蓝宝石衬底上沉积CuAlO₂薄膜，并通过高温气氛退火处理提升其结晶质量，具体包括以下步骤：

步骤1、采用蓝宝石为衬底材料，并对蓝宝石衬底进行表面清洗处理；具体为：将衬底浸入丙酮溶液中超声清洗，然后放入去离子水中超声清洗，之后冷风吹干。