[發明專利]一種 ZnO/Al/ZnO光電透明導電薄膜的沉積制備方法

有效

• 申請號: 201210576026.1
• 申請日: 2012-12-27
• 公開（公告）號: CN103031556A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 張鐵巖;趙琰;張東;趙志剛;張曉慧;李昱材;鄧瑋
• 申請（專利權）人: 沈陽工程學院
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00;C23C16/40;C23C16/44;C23C14/35;C23C14/18;B32B15/04;B32B9/04
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 李運萍

技術領域

本發明屬于透明導電材料領域，具體涉及一種ZnO/Al/ZnO光電透明導電薄膜的沉積制備方法。

背景技術

隨著社會發展和科學技術的突飛猛進，人類對功能材料的需求日益增加，新型功能材料已成為新技術和新興工業發展的關鍵。隨著太陽能、平板顯示和半導體照明等產業的發展，一種新的功能材料——透明導電材料隨之產生、發展起來。一般的導電材料如金屬和合金基半導體均為不透明材料，但在實際應用中，如作為太陽能電池電極、薄膜太陽能電池的電極、液晶顯示的電極等，均要求在導電的同時，能夠透過可見光，一般來說，滿足以下兩個要求即可成為透明導電材料：（1）對可見光（波長λ=380～780nm）的平均透過率T_avg>80%；（2）具備優異的導電性能，電阻率低于10^-3Ω·cm。

目前發展的透明導電半導體均為寬禁帶氧化物半導體材料，即透明導電薄膜（transparent?conductive?oxide，簡稱為TCO薄膜），這類薄膜具有禁帶寬、可見光譜區光透射率高和電阻率低等共同光電特性，經過合適摻雜后可以進一步提高其電導性能，具有廣闊的應用前景。??

目前廣泛應用的TCO材料主要為三類，ITO-In₂O₃基薄膜（Sn摻雜）、FTO-SnO₂基薄膜（F摻雜）和AZO-ZnO基薄膜（Al摻雜）等，分別介紹如下：（1）ITO-In₂O₃的晶體結構為體心立方鐵錳礦結構，禁帶寬度約3.5eV，因而在可見光范圍透明，T_avg>90%，最低電阻率可達10^-5Ω^.cm量級。ITO是目前最成熟、應用最廣泛的TCO，不過由于ITO須使用稀有金屬銦（中國銦保有儲量1.3萬噸，約占全球2/3），從而導致生產成本很高，隨著TFT-LCD面板市場持續擴增和太陽能電池的進一步發展，全球銦消費量的83%用于ITO，從而也引發了銦礦在未來將逐漸耗盡的問題，而且銦材料有毒，在制備和應用過程中對人體有害。另外銦和錫的原子量較大，成膜過程中容易滲入到襯底內部，毒化襯底材料，尤其在液晶顯示器件中污染現象嚴重，對于太陽能行業來說，TCO玻璃必須具備提高光散射的能力，而ITO鍍膜很難做到這一點，并且激光刻蝕性能較差、ITO在等離子體中并不夠穩定，總之，尋找合適的替代產品勢在必行；（2）FTO-SnO₂具有正四面體的金紅石結構，禁帶寬度為3.6eV，通過摻雜氟得到FTO薄膜，可以進一步增強導電性能，FTO與ITO相比具有熱穩定性高、耐腐蝕、硬度高等優勢，并且在等離子體中也具有很好的穩定性，從而成為目前商業化應用的光伏TCO材料，但是，高結晶質量FTO薄膜制備比較困難，對制備工藝要求高，由于薄膜內部缺陷的存在而使其透光率與電導率低于ITO薄膜，同時由于需要氟元素（劇毒）摻雜因而工藝過程存在一定的污染，此外，由于FTO薄膜硬度高因而比較難于刻蝕；（3）AZO-ZnO屬于N型Ⅱ－Ⅵ族半導體材料，其晶體結構為六方纖鋅礦結構禁帶寬度約3.4eV，透光率可達90%以上，同時ZnO在不摻雜的情況下由于本征氧空位缺陷的存在也具有較高的電導率，通過III族元素（Al、Ga、B）摻雜可以進一步提高導電性，ZnO用于TCO薄膜具有原料豐富、成本低廉、制備工藝簡單、無毒、不污染環境等顯著的優勢，而且，ZnO能夠在氫等離子體中穩定性要優于ITO薄膜，具有可與ITO薄膜相比擬的光電特性的同時又易于刻蝕，另外ZnO可高效透射ITO難以透射的短波長光線，因而無論是在太陽能電池還是平板顯示上，ZnO都是替代ITO與FTO的有力競爭者。

目前關于ZnO以及ZnO摻雜Al元素的薄膜的相關報道有很多，但是采用一般的摻雜方式，Al元素在ZnO的空位缺陷內的滲透效果不好，載流子濃度不高，對于提高薄膜的電導率的貢獻十分有限，因此，如何使Al元素更好地摻雜到ZnO薄膜中，進一步提高導電透明材料的導電性能，是目前亟待解決的問題。

發明內容

本發明針對現有技術存在的問題，本發明提供一種ZnO/Al/ZnO光電透明導電薄膜的沉積制備方法，目的是通過采用等離子增強電子回旋共振有機物化學氣相沉積系統與磁控濺射系統相結合的方式沉積制備質量優異、導電性能良好的ZnO/Al/ZnO透明導電薄膜，其電阻率可低至9.2×10^-5?Ω·cm，而其透光率可達80%以上。

實現本發明目的的技術方案按照以下步驟進行：?