一种Al掺杂的氧化锌薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及Al掺杂的氧化锌薄膜及其制备方法。通过脉冲激光沉积的方法制备的Al掺杂的氧化锌薄膜具有良好的c轴外延生长结构，表面质量较好，厚度为430nm。本发明专利技术的Al掺杂的氧化锌薄膜由于制备过程中引入了一层非晶SiO2过渡层既能够减小薄膜和Si衬底由于晶格失配而产生的应力，又能有效减少Si表面态的影响，从而改善Al掺杂的氧化锌薄膜的微结构和透明导电性能。另外，由于Al掺杂的氧化锌薄膜中Al的掺入所形成的缺陷对载流子的俘获与ZO薄膜相比更有效，Al原子的引入改变了电荷载流子俘获的途径，且在很大程度上将会降低激发态的寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种太阳能电池领域中的透明导电膜。具体涉及Al掺杂的氧化锌薄膜材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，短波长激光器成为半导体激光器研究的一个热点，如Sise基量子阱激光器。由于其寿命较短，需要进一步提高，但是难度很大，是一种离子性很强的晶体，高而造成缺陷的大量增加。容易产生损伤，在受激发射运行时，主要是在于Sise容易因温度的升 GaN系列激光器己经走向实用化，但是GaN的制备设备昂贵，缺少合适的衬底材料，薄膜生长难度也较大，再加上GaN在地球上含量不够丰富，人们希望能找到GaN材料替代产品。ZnO 由于具有和GaN相似的晶格结构，其禁带宽度比较接近，对衬底没有苛刻的要求，而且很容易成膜，是最好的替代物。同时，半导体激光器作为信息技术的关键部件使得以光盘为主的信息存储技术及复印技术不断更新换代。对于光盘存储技术，光盘的信息存储密度反比于激光束聚焦后光束的直径，而该直径又正比于激光的波长。因此，为提高光信息存储密度，应使用波长尽可能短的激光器。ZnO室温下的禁带宽度为3. 37eV,Zn0的激子束缚能为 60meV，比室温离化能^meV大很多，具备了室温下发射紫外光的必要条件。ZnO通过与CdO， MgO组成的混晶薄膜能够得到可调的带隙(2. 8-4. 2eV)覆盖了从红光到紫光的光谱范围， 有望开发出紫外、绿光、蓝光等多种发光器件，而且ZnO是直接带隙半导体，能以带间直接跃迁的方式获得高效率的辐射复合。H. Kim等人利用脉冲激光沉积(PLD)技术制得ZnO薄膜(Ρ=3. 8χ10-4Ωαιι,Τ=91%)作为电极，用于有机发光二极管(OLED)，在100A/m电流强度下测得其外量子效率为0.3%，大大提高了器件性能。Ζ· K. Tang 等人报道了 55nm 的 ZnO 膜在 3. 0 μ J/ cm2下激子增益为320CHT1，高于同条件下GaN的激子增益，在LD等领域显示出很大的开发应用潜力。PLD技术效率高、适用于多种薄膜的制备，可以在很低的衬底温度下制备高质量的薄膜，可以用于大面积工业生产，尤其在制备氧化物薄膜方面具有很大的优势，因此受到广泛重视，发展非常迅速。目前虽己成功实现了在Si基等衬底上ZnO薄膜的制备，ZnO基LED 等器件也己研制成功，但发光强度，发光效率等参数，还有待进一步提高。其根本原因在于 ZnO薄膜的结晶质量不高，存在较多的晶格缺陷等，特别是在单晶Si衬底上沉积薄膜时，高温热处理过程使得位于衬底表面的Si原子在晶化过程中容易“捕捉”薄膜中的氧原子，从而形成氧空位，影响薄膜晶化质量和薄膜中元素价态，进而影响薄膜的透明导电性能。使得本底载流子浓度过大，散射中心增多，迁移率下降。要解决这些问题，关键在于选择先进的薄膜生长技术，合适的衬底和合适的生长条件，从而可以提高ZnO薄膜的结晶质量，减少晶格缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是为了解决上述的技术问题而提供一种Al掺杂的氧化锌薄膜。本专利技术的目的之二是为了提供上述的一种Al掺杂的氧化锌薄膜的制备方法。本专利技术的技术方案一种Al掺杂的氧化锌薄膜(以下简称Α1:Ζη0薄膜或AZO膜)，其中Al、Si摩尔比即 Al Zn 为 0. 02 0. 03 1，AZO 膜厚为 430 nm。AZO薄膜在波长375 nm时折射率为2. 217，而在1300 nm波长时，折射率减小为 1. 916 ；消光系数从375 nm的约10—1迅速下降到500 nm的约10_4，最终达到1300 nm的约10_9， 数量级变化达IO8 ；吸收系数从375 nm的33731 cm—1迅速下降到500 nm的37. 3 cnT1，并最终达到1300 nm的约8. 5X 10_5 cnT1，数量级变化达IO90上述的一种Al:ZnO (AZO)膜的制备方法，包括如下步骤(1)、将靶材ZnO与Al2O3按照摩尔比即Al:Si为0.02 0. 03:1进行混合均勻后，经 40Mpa压力压制成型，并在1100°C温度下烧结2小时；(2)、将硅衬底置于真空室前分别在乙醇和去离子水中超声波清洗15 30分钟后用N2 吹干，并将其装在衬底托盘上，用分子泵抽至本底真空为3 5X 10-4 的真空室，电阻加热至520 550°C，在干燥&气氛中氧化10分钟，使硅衬底表面钝化形成SW2层，然后将硅衬底温度降至350 400°C ；(3)、薄膜沉积采用脉冲激光沉积的方法，将烧结好的靶材安放在靶材托盘上，并使靶材与硅衬底之间的距离为4. 0 4. 5cm ；使用波长为248nm的KrF准分子激光器，控制脉冲能量密度为2. 0-2. 5J/cm2，重复频率设定为3 5HZ进行发射靶材，同时，控制衬底托盘转速为4 6rmp进行沉积，时间为40 60分钟即沉积完后自然降至室温，最终得本专利技术的一种 Al:ZnO (AZO)膜。本专利技术的Al掺杂的氧化锌薄膜(ΑΖ0薄膜)，具有良好的c轴外延生长结构。该AZO 薄膜的厚度为430nm。本专利技术的有益效果本专利技术的一种Al SiO(AZO)薄膜，具有良好的C轴外延生长结构，该AZO薄膜的厚度为 430nm。其制备过程由于使用波长为MSnm的KrF准分子激光器，脉冲能量密度为2. 0-2. 5J/ cm2,重复频率设定3 5HZ，在这种频率下可以保证原子在任意连续之间有足够的时间扩散到平衡位置。并且由于在Al:ZnO (AZO)薄膜制备过程中引入了一层非晶SiO2过渡层既能够减小薄膜和Si衬底由于晶格失配而产生的应力，又能有效减少Si表面态的影响，从而改善了 Al掺杂的氧化锌薄膜的微结构和透明导电性能。另外，本专利技术的一种Al掺杂的氧化锌薄膜(ΑΖ0薄膜)中由于Al的掺入所形成的缺陷对载流子的俘获与ZO薄膜相比更有效，Al原子的引入改变了电荷载流子俘获的途径， 且在很大程度上将会降低激发态的寿命。附图说明图la、实施例1所得的AZO薄膜与对照实施例1所得的ZO薄膜XRD衍射图； 图lb、对照实施例2所得的ZO薄膜XRD衍射图2a、实施例1所得的AZO薄膜室温条件下放大500X的情况下SEM表面形貌图； 图2b、实施例1所得的AZO薄膜室温条件下放大1000X的情况下SEM表面形貌图； 图3、掺铝氧化锌AZO薄膜的折射率和消光系数随波长变化曲线； 图如、掺铝氧化锌AZO薄膜的吸收系数a随波长λ变化曲线； 图4b、da/cU随波长λ变化曲线；图fe、泵浦探测时间演化纯ZO薄膜分别在功率为6. 5、15和19mW ； 图恥、泵浦探测时间演化ΑΖ0薄膜分别在功率为6. 5、15和19mW。具体实施例方式下面通过实施例并结合附图对本专利技术进一步阐述，但并不限制本专利技术。本专利技术所用的设备德国LAMBDA PHYSIK公司生产的脉冲宽度为30ns的KrF准分子激光器(波长为 M8nm)，型号 Compex 102。实施例1一种Al:ZnO (AZO)膜的制备方法，包括如下步骤(1 )、高温下烧结完成的掺铝的ZnO陶瓷靶材纯度为99. 99%，靶材中Al Zn的摩尔比，即 Al:Zn 为 0. 03:1 ；(2)、衬底置于真空室前分别在乙醇和去离子水中超声波清洗15-30分钟后用 N2吹干，将其装在衬底托盘上，用分子泵抽至本底真空为3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种Ａｌ掺杂的氧化锌薄膜，其特征在于其中Ａｌ、Ｚｎ元素的摩尔比即Ａｌ：Ｚｎ为０．０２～０．０３：１，薄膜厚为４３０　ｎｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永生，彭麟，杨晶晶，房文健，方津，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：31