[发明专利]一种具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种透明导电氧化物薄膜的制备方法，特别是一种具有高迁移率的非 金属共掺杂ZnO透明导电薄膜及其制备方法。

背景技术

透明导电薄膜是以金属氧化物为基础的半导体材料，通过特定的制备工艺制备成 透明导电的薄膜材料。透明导电薄膜将透明与导电两种性质结合在一起，在光电产业中有 着广阔的应用前景。在相当长的时间里，透明导电薄膜的研究主要集中在ITO薄膜(掺锡的 In₂O₃)，ITO具有优异的光电性能:在550nm波长处对可见光的透过率可达85%以上；低的电阻 率(10^-5~10^一3Ωcm)；较宽的禁带宽度(Eg=3.5~4.3eV)；红外反射率大于80%；紫外吸收率大 于85%。但ITO薄膜在实际应用中有一个决定性的制约因素一一金属In是一种稀有金属，且 价格昂贵。市场对透明导电薄膜的巨大需求与In资源的缺乏形成了尖锐的矛盾。研究制备 具有高电学性能和光学性能的透明材料已越来越成为人们对高科技功能材料的迫切需求。

ZnO基薄膜是一种禁带宽度大，载流子迁移率高的透明导电薄膜。由于存在一些本 征缺陷，所以一般呈n型导电，但是纯的氧化锌电学性能还有待改善，不能满足器件制备方 面的要求。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等金属元素，但金属元素的掺入导致载流子浓度过高，自由电子的吸收导致薄 膜在近红外区域透明性不理想，大大限制了ZnO基薄膜在太阳能电池中的应用。

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。

科技时代的迅猛发展，大大促进人们对电子器件轻便、可穿戴的要求。柔性化，超 薄化成为现在电子器件的迫切需求，这也使得柔性衬底上透明导电氧化物薄膜(TCO)的研 发需求日渐增加。柔性TCO不但具有硬质衬底上TCO的光电特性，并且有着许多独特的优点， 例如重量轻，可弯曲，不易碎，易于大面积生产，体积小等等，可以广泛应用于液晶显示器， 可绕曲太阳能电池，民用建筑玻璃贴膜等各种方面。因此，制备出光电性能优良的柔性TCO 有非常现实的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜及其制 备方法，以克服纯ZnO导电性能无法满足使用需求的不足，采用两种非金属元素共掺杂的方 法来提高薄膜的载流子迁移率和浓度，获得具有更高电导率和迁移率的透明导电薄膜。

本发明的具有高迁移率的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜，为生长于柔性衬底上 的ZnO基薄膜，其化学组成为Zn_1-x-yA_xB_yO，其中0<x≦0.50，0<y≦0.40,A为氟、氯、硫、硒中 的一种，B为硼、氢中的一种，且A和B的原子比例满足1<x:y≦10。

所述的柔性衬底为聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

制备上述的非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜的方法，包括如下步骤：

(1)制备靶材：制备Zn_1-x-yA_xB_yO陶瓷靶材，其中0<x≦0.50，0<y≦0.40,A为氟、氯、硫、 硒中的一种，B为硼、氢中的一种，A和B的原子比例满足1<x:y≦10；避免了溅射过程的化学 反应，以及使用合金或金属靶材而导致薄膜成分难以控制的缺点。

(2)清洗衬底：衬底清洗采用超声振动清洗法，先在无水乙醇中清洗，再用丙酮溶 液清洗，最后用去离子水中清洗，清洗完成后将衬底用氩气吹干；所述衬底为柔性衬底，选 用聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯；

(3)溅射生长：采用射频磁控溅射法在上述衬底上制备薄膜；

(4)氢等离子处理：将上述薄膜放入磁控腔体中，通入氢气后打开衬底射频源，进行氢 等离子处理；

(5)真空热退火：将上述进行H等离子体处理的薄膜放在磁控溅射装置内，进行热退 火，获得非金属共掺杂ZnO透明导电薄膜。

上述方案中，所述的步骤(5)中热退火的温度在50~150℃，热退火时间为20~ 120min。