[發(fā)明專利]一種ZnO透明導電膜層的制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210443951.7
• 申請日: 2012-11-08
• 公開（公告）號: CN102965621A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發(fā)明（設計）人: 石倩;周克崧;代明江;林松盛;侯惠君;韋春貝;胡芳
• 申請（專利權）人: 廣州有色金屬研究院
• 主分類號: C23C14/08
• 分類號: C23C14/08;C23C14/35
• 代理公司: 廣東世紀專利事務所 44216
• 代理人: 千知化

技術領域

本發(fā)明涉及透明導電氧化物膜層技術領域，特別涉及一種雙元素摻雜ZnO膜層的制備方法。

背景技術

透明導電氧化物(TCO)材料具有較高的載流子濃度和光學禁帶寬度，因此表現出低的電阻率和高的可見光透過率，被廣泛應用于薄膜晶體管顯示器(TFT)、液晶顯示器(LCD)、發(fā)光二極管(LED)及太陽能電池等各種光電器件中。在TCO材料中，ZnO膜層是最有可能取代In₂O₃:Sn(ITO)，SnO₂:F(FTO)的透明導電材料之一。ZnO具有與ITO相媲美的光電性能，同時它制造成本低、無毒性，對光電器件的發(fā)展起著至關重要的作用。但有研究發(fā)現，ZnO膜層在高溫環(huán)境中極不穩(wěn)定，在熱處理后膜層的電阻率會提高1～3個數量級。因此未摻雜的ZnO膜層在應用上遠不及ITO和FTO膜層。

研究發(fā)現，異價原子摻雜能有效提高ZnO膜層的導電能力，并具有一定的高溫穩(wěn)定性，其中對Al摻雜ZnO(AZO)膜層的研究最為成熟和廣泛。但是，AZO在成膜過程中，由于Al具有較高的活性導致其易于氧化，致使AZO電學性能降低。而同為第III族摻雜元素的Ga，其原子半徑與Zn更接近，且Ga-O的共價鍵長0.192nm與Zn-O共價鍵長0.197nm更為接近。因此，Ga摻雜ZnO(GZO)的晶格畸變較小，在理論上具有比AZO膜層更多的性能優(yōu)勢。除了陽離子摻雜外，采用低價陰離子替代O^2-也是提高ZnO膜層光電性能的有效途徑之一，例如，低價態(tài)F^-替代O^2-后，每個F^-可釋放一個自由電子進入導帶，從而減小ZnO膜層的電阻率。

在ZnO透明導電膜層中，摻雜的目的是為了得到較低的電阻率和較高的可見光透過率。通常采用Al，Ga，In，F等單元素對ZnO進行摻雜，每個摻雜原子只能提供一個自由導電電子。除了尋找合適的摻雜元素來提高膜層光電性能外，室溫沉積工藝也是透明導電氧化物膜層制備過程中需要考慮的關鍵問題之一。室溫制備技術的開發(fā)既能節(jié)約能源，簡化工藝，降低成本，還可以擴大膜層的應用范圍。

Yasushi?Sato^[1]等(Thin?Solid?Films，520，2011，1395-1399)采用磁控濺射法制備Ga摻雜的ZnO膜層有較低的電阻率(3.5×10^-4Ω·cm)，然而其光學透過率為80％，沒有明顯改善。雖然脈沖激光沉積GZO膜層^[2](Thin?Solid?Films，520，2011，1212-1217)能得到較好的透過率(90％)，然而其電阻率(1.09×10^-3Ω·cm)與其它元素摻雜相比要高出一個數量級。此外，Tsai^[3]等(MaterialsLetters，63，2009，1621-1623)利用F元素摻雜ZnO得到較低的電阻率(6.6×10^-4Ω·cm)和較高的透過率(90％)，然而沉積溫度高達500℃，限制了該膜層的應用范圍。Bowen^[4]等(Thin?Solid?Films，519，2011，1809-1816)用磁控濺射法在柔性襯底上沉積F摻雜的ZnO膜層，發(fā)現摻雜后膜層透過率在68～80％之間，電阻率在10^-1～10^-2Ω·cm之間，遠遠落后于該膜層沉積在玻璃襯底上的性能指標。這些摻雜元素的選擇與制備方法仍無法滿足實際使用需求。

如果采用陰、陽離子共摻雜，可以在最大程度上提高ZnO膜層的光電性能。因此，利用與Zn、O半徑接近Ga和F摻雜，除了能確保膜層的低電阻率，還能有效提高其光學透過率。在目前研究中，尚未出現采用Ga-F雙摻雜來提高ZnO膜層光電性能的文獻報道或相關專利。因此，提出Ga-F共摻雜ZnO(GFZO)作為新型透明導電材料及其室溫制備工藝對于本領域具有重要的意義。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是克服現有ZnO膜層存在的缺點和不足，提供一種雙元素摻雜ZnO膜層的制備方法，該膜層具有高光學透過率及低電阻率的特點。