[发明专利]一种高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及透明导电氧化物薄膜的制备领域，具体涉及一种高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜的制备方法。

背景技术

透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxides，TCO）薄膜因具有低的电阻率、可见光区域高透射率、红外光区高反射率以及紫外光区高吸收率等特点，从而获得了广泛应用。近年来，由于各类新型光电器件特别是太阳能光伏技术和固态照明技术的迅猛发展，使得对高性能透明导电薄膜的研究不断深入开展。

在对TCO薄膜的研究中，掺锡氧化铟透明导电薄膜（Indium Tin Oxide ITO）的技术是最成熟的，但由于In、Sn等材料的自然储量少、制备工艺复杂、成本高、有毒、稳定性差，因而限制了它的广泛应用。氧化锌（Zinc Oxide，ZnO）基薄膜材料具有优异的导电性能、可见光范围内高的透过率及近红外区高的反射率等优异特性，所以被广泛地应用到光电器件领域，特别是作为新一代透明导电电极来取代传统的金属电极。本征氧化锌主要问题是电导率不够高。为了解决这一问题，人们通常采用掺杂的方法来增加其电导率。常用的掺杂元素，如Al、Ga、In、B、F等均可以有效降低ZnO基薄膜的电阻，有希望替代氧化铟锡薄膜作为透明电极应用在平板显示及太阳能光伏领域中。

目前，ZnO基薄膜的制备方法很多，主要分为物理沉积方法和化学沉积方法，其中，物理沉积方法包括了磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、热蒸发等等；化学沉积方法包括了化学气相沉积、溶胶-凝胶法、喷雾热分解法等等。

迁移率是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，是衡量薄膜电学性能的一个重要指标。并且，在实际应用中，是表征许多器件（如TFT）响应速度的重要参数。

为了满足实际应用的要求，一般都是通过杂质元素的掺入来降低氧化物半导体的电阻，不过，如果是传统金属元素如Al、Ga等掺杂，载流子浓度的提高会增强晶体内的离子散射，降低薄膜的电子迁移率，同时也会提高薄膜对红外光的吸收，降低透光性。理论分析表明：半导体对光子的吸收是随着自由载流子浓度的增大而增大，因此如果能够保证升高电阻率的前提下提高载流子迁移率降低载流子浓度，能减少自由电子气对光子的吸收，从而提高薄膜的综合性能（尤其是提高了薄膜在红外光区的透过率，有利于如太阳电池这方面的应用）。因此，如何提高电子迁移率是增大ZnO基透明导电薄膜作为前电极在太阳能电池领域得到广泛应用的关键。

磁控溅射是一种生长速度很快的非平衡态成膜技术，因此在薄膜生长过程中会产生很多间隙原子，且无法扩散迁移到最低能量位置。这些间隙原子不仅会影响下一步的成膜，而且在制备的薄膜过程中会以散射中心存在，降低迁移率。因此，单单的磁控溅射得到的薄膜会有所限制，很难继续向上提升，从而对薄膜的电学性能产生限制。

发明内容

本发明提供了一种高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜的制备方法，采用真空热退火与氢等离子处理相结合的方式，对磁控溅射制备出的薄膜性能进行进一步的优化，制备得到高迁移率的ZnO:F透明导电薄膜。

本发明公开了一种高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜的制备方法，包括溅射准备和溅射镀膜，还包括如下步骤：

（1）将磁控溅射生长的薄膜进行真空退火处理，柔性衬底的真空热退火的温度为50～150℃，时间为20～60min；

或，硬质衬底的真空热退火的温度为200～500℃，时间为20～40min；

（2）将步骤（1）得到的退火处理的薄膜进行氢等离子处理，制备得到所述的高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜；

所述氢等离子处理工艺为：本底气压低于5×10^-6Torr，工作气压为1～20mTorr，衬底的温度为室温至200℃，射频电源的功率为20～100W。

本发明制备的薄膜为ZnO:F薄膜，结构式为Zn_1-xF_xO，其中，0≦x≦0.30。由于ZnO的能带结构中，价带主要是由氧（O）的2p轨道组成，当F元素离子以替位形式占据O格点时主要是对价带产生微扰，而对导带电子的扰动较小，也就是对电子迁移的散射作用相对较小，这样有利于获得迁移率较高的掺杂薄膜。