本发明专利技术公开了一种高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜的制备方法，包括溅射准备和溅射镀膜，还包括：将磁控溅射生长的薄膜进行真空退火处理，柔性衬底的真空退火温度为50～150℃，时间为20～60min；硬质衬底的真空退火温度为200～500℃，时间为20～40min；再将退火处理的薄膜进行氢等离子处理，得到所述的掺氟氧化锌基透明导电薄膜；氢等离子处理工艺为：本底气压低于5×10-6Torr，工作气压为1～20mTorr，衬底的温度为室温至200℃，射频电源的功率为20～100W。本发明专利技术将真空退火与氢等离子处理相结合，经进一步的优化，制备得到迁移率高达30cm2V-1s-1的ZnO：F透明导电薄膜。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及透明导电氧化物薄膜的制备领域，具体涉及。
技术介绍
透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxides, TC0)薄膜因具有低的电阻率、可见光区域高透射率、红外光区高反射率以及紫外光区高吸收率等特点，从而获得了广泛应用。近年来，由于各类新型光电器件特别是太阳能光伏技术和固态照明技术的迅猛发展，使得对高性能透明导电薄膜的研究不断深入开展。在对TCO薄膜的研究中，掺锡氧化铟透明导电薄膜(Indium Tin Oxide ITO)的技术是最成熟的，但由于In、Sn等材料的自然储量少、制备工艺复杂、成本高、有毒、稳定性差，因而限制了它的广泛应用。氧化锌(Zinc 0xide，Zn0)基薄膜材料具有优异的导电性能、可见光范围内高的透过率及近红外区高的反射率等优异特性，所以被广泛地应用到光电器件领域，特别是作为新一代透明导电电极来取代传统的金属电极。本征氧化锌主要问题是电导率不够高。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、B、F等均可以有效降低ZnO基薄膜的电阻，有希望替代氧化铟锡薄膜作为透明电极应用在 平板显示及太阳能光伏领域中。目前，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。迁移率是指载流子(电子和空穴)在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，是衡量薄膜电学性能的一个重要指标。并且，在实际应用中，是表征许多器件(如TFT)响应速度的重要参数。为了满足实际应用的要求，一般都是通过杂质元素的掺入来降低氧化物半导体的电阻，不过，如果是传统金属元素如Al、Ga等掺杂，载流子浓度的提高会增强晶体内的离子散射，降低薄膜的电子迁移率，同时也会提高薄膜对红外光的吸收，降低透光性。理论分析表明:半导体对光子的吸收是随着自由载流子浓度的增大而增大，因此如果能够保证升高电阻率的前提下提高载流子迁移率降低载流子浓度，能减少自由电子气对光子的吸收，从而提高薄膜的综合性能(尤其是提高了薄膜在红外光区的透过率，有利于如太阳电池这方面的应用)。因此，如何提高电子迁移率是增大ZnO基透明导电薄膜作为前电极在太阳能电池领域得到广泛应用的关键。磁控溅射是一种生长速度很快的非平衡态成膜技术，因此在薄膜生长过程中会产生很多间隙原子，且无法扩散迁移到最低能量位置。这些间隙原子不仅会影响下一步的成膜，而且在制备的薄膜过程中会以散射中心存在，降低迁移率。因此，单单的磁控溅射得到的薄膜会有所限制，很难继续向上提升，从而对薄膜的电学性能产生限制。
技术实现思路
本专利技术提供了，采用真空热退火与氢等离子处理相结合的方式，对磁控溅射制备出的薄膜性能进行进一步的优化，制备得到高迁移率的ZnO = F透明导电薄膜。本专利技术公开了，包括溅射准备和溅射镀膜，还包括如下步骤:(I)将磁控溅射生长的薄膜进行真空退火处理，柔性衬底的真空热退火的温度为50~150°C，时间为 20 ~60min ；或，硬质衬底的真空热退火的温度为200~500°C，时间为20~40min ；(2)将步骤(1)得到的退火处理的薄膜进行氢等离子处理，制备得到所述的高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜；所述氢等离子处理工 艺为:本底气压低于5X 10_6Torr，工作气压为I~20mTorr，衬底的温度为室温至200°C，射频电源的功率为20~100W。本专利技术制备的薄膜为ZnO:F薄膜，结构式为ZrvxFxO,其中，O兰x兰0.30。由于ZnO的能带结构中，价带主要是由氧(O)的2p轨道组成，当F元素离子以替位形式占据O格点时主要是对价带产生微扰，而对导带电子的扰动较小，也就是对电子迁移的散射作用相对较小，这样有利于获得迁移率较高的掺杂薄膜。本专利技术在溅射镀膜后采用真空热退火处理，可以在很大程度上降低掺杂的ZnO薄膜溅射中产生的间隙原子的含量，同时可以修复晶体质量，减少位错和层错的密度，使薄膜电导率和迁移率提高，特别地，对于F掺杂ZnO，退火不仅仅会影响到晶格的状态，还可能影响F原子的状态。即使是较高的生长温度，溅射得到的薄膜还有很多的F存在于ZnO晶面的间隙中，或者是以F2分子的形式存在，在一定的温度下退火，才能够激活ZnO中掺杂F原子，从而得到低阻的薄膜，即载流子激活效应。再经进一步的氢等离子处理，将H掺入薄膜中变成替代氧位的％，形成浅施主能级，并使得H元素在ZnO薄膜中均匀分布，有较大的扩散深度，达到简单，快速且导电性能提高明显的效果。随着退火温度的升高，原子具有的动能也越来越大，ZnO中会出现O原子的解析从而出现较多的空位(主要是薄膜中的\数量增多浓度变大后，掺杂元素如F可以更加轻易地进入\，形成匕施主缺陷使得氢等离子处理的效果更加显著，进一步提高了薄膜的迁移率(超过ZOcm2V-1S-1),也使得薄膜的电学性能稳定性增加。作为优选，所述的柔性衬底为聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二酯；所述的柔性衬底的真空热退火的温度为125~150°C。进一步优选，所述的氢等离子处理工艺为:工作气压为5~IOmTorr,射频电源的功率为40~50W。当衬底为柔性衬底时，作为优选，所述制备方法的具体步骤如下:I)柔性衬底经超声清洗后吹干，安放在磁控溅射设备的衬底托盘上；2)装上ZnO:F的陶瓷靶，F，Zn原子比为3%，抽真空至真空度达到4 X KT6Torr，并加热衬底至75~125°C ；3)向生长室中通入纯Ar，调节气压到15mT0rr后开始起辉，进行预溅，再打开溅射挡板，调节生长气压至7mTorr，打开射频电源，设置功率至150W，溅射时间15~60min，得到厚度为400~450nm的FZO薄膜；4)将步骤3)中制备得到的FZO薄膜进行真空退火处理，退火温度为150°C，时间为20~60min，然后冷却到室温；5)将步骤4)中得到的薄膜重新放入磁控溅射设备的腔体，打开真空系统，到真空度下降至4Χ10_6Τοπ.，向腔体中通入纯H2，调节腔体内气压到7mTon.，开启衬底电源，设置功率为50W，使氢气起辉，在氢等离子体中处理20~30min，得到所述的高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜。本专利技术采用ZnO基陶瓷靶，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。作为优选，所述的硬质衬底为玻璃、石英或硅片；所述的硬质衬底的真空热退火的温度为400~450°C。进一步优选，所述的氢等离子处理工艺为:工作气压为5~IOmTorr,射频电源的功率为10~20W。当衬底为硬质衬底时，作为优选，所述制备方法的具体步骤如下:I)硬质衬底经超声清洗后吹干，安放在磁控溅射设备的衬底托盘上；2)装上ZnO:F的陶瓷靶，F，Zn原子比为3%，抽真空至真空度达到5 X KT6Torr，并加热衬底至300~45011C ；3)向生长室中通入纯Ar，调节气压到UmTorr后开始起辉，进行预溅，再打开溅射挡板，调节生长气压至8mTorr，打开射频电源，设置功率至100W，溅射时间15~60min，得到厚度为100~150nm本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜的制备方法，包括溅射准备和溅射镀膜，其特征在于，还包括如下步骤：（1）将磁控溅射生长的薄膜进行真空退火处理，柔性衬底的真空热退火的温度为50～150℃，时间为20～60min；或，硬质衬底的真空热退火的温度为200～500℃，时间为20～40min；（2）将步骤（1）得到的退火处理的薄膜进行氢等离子处理，制备得到所述的高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜；所述氢等离子处理工艺为：本底气压低于5×10‑6Torr，工作气压为1～20mTorr，衬底的温度为室温至200℃，射频电源的功率为20～100W。
【技术特征摘要】
1.一种高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜的制备方法，包括溅射准备和溅射镀膜，其特征在于，还包括如下步骤: (1)将磁控溅射生长的薄膜进行真空退火处理，柔性衬底的真空热退火的温度为50~150°C，时间为 20 ~60min ； 或，硬质衬底的真空热退火的温度为200~500°C，时间为20~40min ； (2)将步骤(1)得到的退火处理的薄膜进行氢等离子处理，制备得到所述的高迁移率的掺氟氧化锌基透明导电薄膜； 所述氢等离子处理工艺为:本底气压低于5X10_6Torr，工作气压为1~20mTorr，衬底的温度为室温至200°C，射频电源的功率为20~100W。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的柔性衬底为聚碳酸酯或聚对苯二甲酸乙二酯。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的柔性衬底的真空热退火的温度为125~150°C。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的氢等离子处理工艺为:工作气压为5~10mTorr，射频电源的功率为40~50W。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的硬质衬底为玻璃、石英或硅片。6.如权利要求1或5所述的制备方法，其特征在于，所述的硬质衬底的真空热退火的温度为400~450°C。7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的氢等离子处理工艺为:工作气压为5~10mTorr，射频电源的功率为10~20W。8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体步骤如下: 1)柔性衬底经超声清洗后吹干，安放在磁控溅射设备的衬底托盘上； 2)装上ZnO:F的陶瓷靶，F，Zn原子比为3%，抽真空至真空度达到4X KT6Torr，并加热衬底至75~125°C ; 3)向生长室中通入纯Ar，...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱丽萍，张翔宇，陈文丰，郭艳敏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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