專利名稱：一種多晶摻鉬氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于透明導(dǎo)電薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多晶摻鉬氧化鋅ZnO: Nto (ZMO) 透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法。
技術(shù)背景透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜是一種高簡并的半導(dǎo)體材料，以其獨特的透明性與導(dǎo)電 性結(jié)合于一體而廣泛應(yīng)用于光電器件領(lǐng)域(如平板顯示器和太陽能電池)。其中最具代表 性的材料是In203:Sn(ITO)、 Sn02:F和ZnO:Al(AZO)薄膜。TCO薄膜材料一般具有高的載 流子濃度，費米能級(五》位于導(dǎo)帶能級(五c)以上，電阻率可低至10—4Q*Cm;而且具有 寬的禁帶寬度(>3eV)，使薄膜在可見光及近紅外光范圍具有高的透射率(>80%)。目前的透明導(dǎo)電薄膜的載流子濃度已經(jīng)達到1.5xl0"cm—3，接近上限2xl021(^3，因此 通過進一步提高載流子濃度來降低電阻率已經(jīng)很困難，并且很高的載流子濃度會嚴(yán)重影響 到透明導(dǎo)電薄膜的光學(xué)性能。高價態(tài)元素(如Mo、 W等)的摻雜提供了解決這一問題的一 個新的途徑，即通過提高載流子遷移率而非載流子濃度來提高透明導(dǎo)電薄膜的電導(dǎo)率。因此，制備具有高價態(tài)差的摻鉬氧化鋅ZnO: Mo (ZMO)透明導(dǎo)電氧化物薄膜的研 究是具有很大應(yīng)用價值的研究目標(biāo)，目前尚無該類研究結(jié)果的報導(dǎo)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種工業(yè)生產(chǎn)性和工藝穩(wěn)定性好的多晶摻鉬氧化鋅(ZnO: Mo (ZMO))透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法。本發(fā)明提出的多晶ZMO透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法，是采用直流磁控濺射技術(shù)， 具體步驟為以鋅鉬金屬鑲嵌靶為靶材，以普通玻璃為基板，基板溫度為100-300°C，通 過反應(yīng)直流磁控濺射法，使Ar離子束轟擊靶材，將靶材濺射，濺射電流150-300mA，濺 射電壓100-400V，反應(yīng)室內(nèi)的工作壓強為0.45-2.5Pa， 02反應(yīng)氣體的分壓百分含量P (02) =P0/ (Pc^+Pat)為4.0 10.0%，濺射時間40-100分鐘，形成具有多晶結(jié)構(gòu)的摻鉬氧化鋅 透明導(dǎo)電氧化物薄膜(ZnO: Mo)。本發(fā)明的制備條件如下本發(fā)明中，基板溫度為100-300°C。 本發(fā)明中，02反應(yīng)氣體的分壓為4.0 10.0%。本發(fā)明中，反應(yīng)直流磁控濺射時，濺射條件為濺射電流150-300mA，濺射電壓 100-400V，濺射時間40-100分鐘。
本發(fā)明中，通過可變氣導(dǎo)閥將02和Ar氣體通入反應(yīng)室，可變氣導(dǎo)闊是直流磁控濺射 鍍膜通入氣體的現(xiàn)有技術(shù)。本發(fā)明方法制得的ZMO透明導(dǎo)電氧化物薄膜厚度為100-250nm，可根據(jù)需要，通過控 制濺射時間來控制膜厚。本發(fā)明中，鋅鉬金屬鑲嵌靶中，鉬的質(zhì)量為鋅的質(zhì)量的0.5%-12.5%。
本發(fā)明的鑲嵌靶制備如下將計算稱量好的重量為60.5克，純度為99.99%的金屬鋅粒放置在不銹鋼條圈圍的紫銅 圓板上，在45(TC的溫度下將鋅粒熔融成直徑為60mm，厚度為2-3mm的鋅金屬圓靶；根 據(jù)摻鉬為0. 5at%_12. 5atM的要求，在直流磁控濺射區(qū)域內(nèi)均勻?qū)ΨQ地鉆6-24個小孔，小孔 直徑為0.8-2mm，深度為3mm;將直徑為0.8-2mm，長度為3mm，純度為99.99%，清洗 干凈的鉬絲鑲嵌于小孔之中，形成鉬/鋅原子之比為0.5aty。-12.5a戰(zhàn)的鋅鉬金屬鑲嵌耙。可 以通過調(diào)節(jié)小孔的數(shù)目和直徑控制鉬的摻雜量。
由于在磁控濺射過程中，濺射耙中所產(chǎn)生的濺射粒子是局限在放電環(huán)之內(nèi)(如附圖1 所示)，因此，所摻的Mo必須鑲嵌在放電環(huán)內(nèi)，且Mo與金屬Zn的比例必須以放電環(huán)內(nèi) 的金屬Zn為基準(zhǔn)。放電環(huán)內(nèi)直徑為2.6cm，外直徑3.8cm，于是在放電環(huán)內(nèi)，鉆了 18個 直徑是0.8mm的孔，在里面嵌入鉬絲，這樣，靶的摻鉬量可計算如下鋅密度p^^7.13g/cm3 分子量Mz =65.39鉬密度/V。^0.22g/cm3 分子量Mm。=95.94放電環(huán)面積S1 = tt(I.92 — 1.32) = 6.028 8cw2 單根鉬絲的截面積& = ;rx0.042 = 0.005024cm2 從而計算鉬和鋅的原子比鋅的原子數(shù)iVz。 = "z xiV。 = ，x7V。 = ^x z" xiV。 = 0.657必〖。似a A"鉬的原子數(shù)AVo = 18x "她xtV0 = 18x~x iV。 = 18x & X"X&。 xiV = 5.352x10-ViV。《 &。其中W。為阿伏加德羅常數(shù)，d為鑲嵌靶厚度。 所以，i = 0,0147 = 1.47%
實驗結(jié)果表明，用反應(yīng)直流磁控濺射的方法在玻璃表面制備的ZMO薄膜具有低電阻率(1.2xlO—3Q*cm)和可見光范圍高的光學(xué)透明性(>80%)及高載流子遷移率(37.0cm —V1)的特性。本發(fā)明方法具有工業(yè)生產(chǎn)前景，工藝穩(wěn)定性好，是一種制備ZMO透明導(dǎo)電氧化物薄膜保證薄膜所制器件優(yōu)良性能的新方法。


圖1是本實用新型的鋅鉬金屬鑲嵌靶的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明方法制備的ZMO薄膜的x射線衍射譜圖。a (1.2at%)、b (1.5at%)、 c( 1.8at%)分別代表鉬的摻雜量。圖3為在Mo含量為1.5at。/。時不同的基片溫度對ZMO薄膜的電阻率影響圖。 圖4為在不同鉬摻雜量下制備的ZnO:Mo薄膜在300 900nrn的透射光譜圖。 圖中標(biāo)號l是鋅金屬圓耙，2是磁控濺射區(qū)，3是鑲嵌鉬絲的小孔。
具體實施方式
本發(fā)明的具體實施步驟如下實施例l，制備鋅鉬金屬鑲嵌靶在450'C的溫度下將純度為99.99。/。的Zn金屬熔融成 靶，均勻?qū)ΨQ地嵌入同樣純度為99.99%的鉬絲2at。/。制備而成，靶直徑為60mm，厚度為 3mm。基片是普通載玻片，先后經(jīng)過純水、酒精和丙酮超聲波各15分鐘清洗。基板溫度200°C。靶材與基板的間距固定為130mm。薄膜沉積前先將反應(yīng)室抽真空到低于2X 10—3Pa，然后通過可變氣導(dǎo)閥將02和Ar氣體 通入反應(yīng)室。反應(yīng)室內(nèi)的工作壓強為2.5X 10"Pa,濺射電流為200mA，濺射電壓為 150~160V，控制02反應(yīng)氣體的百分含量P (02) =P 。2/ (Po2+PAr)為5.0%。薄膜均制備在普通玻璃片上。濺射時間70分鐘，薄膜厚度為170nm。所制得ZMO薄膜電阻率為1.21xl0—3f>cm。 實施例2，在基板溫度20(TC下，與實施例l同樣方法，在下述條件下制得多晶ZMO 薄膜通過可變氣導(dǎo)閥將02和Ar氣體通入反應(yīng)室并控制02的百分含量P (02)為10%。 濺射時間60分鐘，薄膜厚度為150nm。所制得ZMO薄膜電阻率為5.54><l(r\>cm。 實施例3改變鋅鉬金屬靶中鉬對鋅百分比分別為1.2%、 1.5%，其余制備條件同實施例1。其 X衍射譜圖見圖2所示。利用表面輪廓儀(KosakaET3000型)測量薄膜的厚度d，用四探針儀(BD-90型)測量樣品的方塊電阻R。從而計算得到薄膜的電阻率P 。在室溫下采用霍耳測試儀(BIO—RadMicroscience HL5500 Hall system)測量薄膜的霍耳效應(yīng)，從而得到薄膜的載流子遷移率和 載流子濃度。采用X射線衍射儀(XRD) (RigakuD/max-rB型，CuKa射線源)分析薄膜 的晶態(tài)結(jié)構(gòu)；采用原子力顯微鏡(AFM) (Park Scientific Instrument ， AutoProbeCP, USA)可分析薄膜的表面形貌。
權(quán)利要求
1、一種多晶摻鉬氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，采用直流磁控濺射技術(shù)，其特征在于具體步驟如下以鋅鉬金屬鑲嵌靶為靶材，以普通玻璃為基板，基板溫度為100-300℃，通過反應(yīng)直流磁控濺射法，使Ar離子束轟擊靶材，將靶材濺射，濺射電流150-300mA，濺射電壓100-400V，反應(yīng)室內(nèi)的工作壓強為0.45-2.5Pa，O2反應(yīng)氣體的分壓百分含量
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述薄膜的厚度為100-250nm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述鋅鉬金屬鑲嵌靶中鉬摻雜量為鋅 的質(zhì)量的0. 5%-12. 5%。
全文摘要
本發(fā)明屬透明導(dǎo)電薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種多晶摻鉬氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜的制備方法。其步驟為以鋅鉬金屬鑲嵌靶為靶材，以普通玻璃為基板，基板溫度為100-300℃，通過反應(yīng)直流磁控濺射法，使Ar離子束轟擊靶材，將靶材濺射，濺射電流150-300mA，濺射電壓100-400V，反應(yīng)室內(nèi)的工作壓強為0.45-2.5Pa，O₂反應(yīng)氣體的分壓百分含量P(O₂)＝Po₂/(Po₂+P_Ar)為4.0～10.0％，濺射時間40-100分鐘。形成具有多晶結(jié)構(gòu)的摻鉬氧化鋅透明導(dǎo)電薄膜。薄膜厚度為100-250nm。本發(fā)明制備的薄膜具有低電阻率和可見光范圍高的光學(xué)透明性及高載流子遷移率的特性。本發(fā)明方法具有工業(yè)生產(chǎn)前景，工藝穩(wěn)定性好，是一種制備ZMO透明導(dǎo)電氧化物薄膜保證薄膜所制器件優(yōu)良性能的新方法。
文檔編號C23C14/35GK101158028SQ200710046910
公開日2008年4月9日 申請日期2007年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月11日
發(fā)明者杰 沈, 王三坡, 章壯健 申請人:復(fù)旦大學(xué)