[发明专利]一种基于TiN层间掺杂的透明导电氧化物薄膜

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料技术领域，具体涉及一种基于TiN层间掺杂的透明导电氧化物薄膜。

背景技术

随着社会科学的发展，功能材料的需求日益迫切。新的功能材料已成为新技术和新工业发展的关键。近年来，表面等离子体技术受到越来越多的关注，贵金属材料比如金、银等因其较低的欧姆损耗和较高的电导率被广泛应用于表面等离子体等光电子材料器件中。

尽管如此，金、银等贵金属材料仍然存在一定局限性，相比于电学性能，其光学性能较差，尤其在近红外波段(波长范围在1μm-3μm之间)下的光学损耗很高，同时，金属材料的光学特性不可调控，限制了很多近红外波段的等离子体器件的应用。

透明导电氧化物(TCO)材料具有可见光区透过率高、电阻率低等光学特性，被广泛应用于光电子、微电子、真空电子器件等领域。TCO薄膜的导电率很高，在近红外波段具有与金属类似的光学特性，同时可以通过改变载流子浓度，比如掺杂，从而对其光学特性进行调控，使得其介电常数与介质材料相匹配，能够在近红外波段产生表面等离子体共振，因此TCO薄膜可以应用于近红外波段的表面等离子体材料领域。

与此同时，TCO作为薄膜太阳能电池的前电极材料，在太阳能电池研究和生产中占有重要地位。太阳能电池要求前电极具有高透过率、高导电率和极低的光损失，而传统TCO薄膜的导电率相比其他电极材料来说还是较低，且在通常情况下，薄膜透过率和导电率是互相矛盾的。

为解决透过率和导电率之间的矛盾，通常在TCO薄膜中掺入一定量的导电材料，或合理设计膜层结构，进而达到在保持高透过率的前提下提高薄膜的导电性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于TiN层间掺杂的透明导电氧化物薄膜。

一种基于TiN层间掺杂的透明导电氧化物薄膜，包括衬底，所述衬底上由下至上依次生长有下透明导电层、夹层和上透明导电层，所述的下透明导电层和上透明导电层为透明导电氧化物层，所述夹层为TiN层。

本发明的透明导电氧化物薄膜通过层间掺杂形成夹层结构的透明导电氧化物薄膜，在其中加入TiN层，能够提高透明导电氧化物薄膜的导电率，调控其光学性能。其次，与贵金属比较，TiN原料来源充足，有利于降低本低。

另外，贵金属薄膜(如Au薄膜)在生长时容易聚集成岛，在膜层较薄的情况下难以成膜，且表面粗糙度较大，而TiN膜层易于成膜，在厚度很小(～2nm)时就能呈现连续性，同时具备较高的导电率。

所述衬底材质多为光学玻璃、硅及其他半导体，可以根据具体应用场景选择合适的衬底。

透明导电氧化物薄膜中各层的厚度以及各层之间厚度的匹配关系，直接影响到整个透明导电氧化物薄膜的光电性能。

所述下透明导电层的厚度为20～100nm。作为优选，所述下透明导电层的厚度为30～50nm。最优地，所述下透明导电层的厚度为30nm。

由于ITO薄膜的光电性能根据制备工艺的不同体现出很大的差异性。当薄膜厚度低于某一特定值时，ITO薄膜的光电性能会急剧恶化，发现最低厚度为30nm的ITO薄膜性能已经趋于稳定。故下层ITO厚度设定为30nm。

TiN薄膜质地坚硬，化学性能稳定(耐腐蚀、耐氧化)，表面光滑，同时它的光学、电学性能可以通过制备工艺调控，而且它的载流子浓度与金相当，因此TiN夹层的厚度越大，透明导电氧化物薄膜的导电性越好，透过率越低。作为优选，所述夹层的厚度为2～20nm，进一步优选，所述TiN夹层的厚度为5～10nm，最优地，所述TiN夹层的厚度为8nm。

上透明导电层的厚度与下透明导电层的厚度无直接关系，通常大于10nm即可，为了保证上透明导电层和下透明导电层的性能的一致性，作为优选，所述上透明导电层的厚度与下透明导电层的厚度相同。进一步优选，所述上透明导电层的厚度为30nm。

与现有技术相比，本发明基于TiN层间掺杂的透明导电氧化物薄膜具有如下优点：