一种掺镓氧化锌薄膜的制备方法及其制备的薄膜和应用技术

本发明专利技术涉及半导体材料制备领域，提供一种掺镓氧化锌薄膜的制备方法，其方法包括如下步骤：将Ga2O3粉体和ZnO粉体混合，烧结作为GZO靶材，Ga2O3粉体与ZnO粉体的质量比为1/1999～1/99；将GZO靶材装入磁控溅射腔体内，抽真空，设置工作压强为0.2Pa～1.5Pa，惰性气体流量为15sccm～35sccm，GZO层的溅射功率为60W～160W，溅射得掺镓氧化锌薄膜；对上述制得的掺镓氧化锌薄膜进行退火处理，退火气氛为惰性气体和氢气的混合气体，其中，混合气体中氢气的摩尔体积百分含量为5％～30％，退火温度为200℃～600℃。本发明专利技术还提供采用此方法获得的掺镓氧化锌薄膜及其在半导体光电器件中的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体光电材料制备领域，具体涉及一种掺镓氧化锌薄膜的制备方法及其制备的薄膜和应用。
技术介绍
透明导电薄膜是把光学透明性能与导电性能复合在一体的光 电材料，由于其具有优异的光电特性，成为近年来的研究热点和前沿课题。虽然ITO薄膜是目前综合光电性能优异、应用最为广泛的一种透明导电薄膜材料，但是铟有毒，价格昂贵，稳定性差，在氢等离子体气氛中容易被还原等问题，人们力图寻找一种价格低廉且性能优异的ITO替换材料。其中，掺镓氧化锌(Ga-doped ZnO,简称GZO薄膜)具有材料廉价,无毒,可以同ITO相比拟的电学和光学性能等特点，已成为最具竞争力的透明导电薄膜材料。采用磁控溅射方法制备GZO薄膜，具有沉积速率高、衬底温度相对较低、薄膜附着性好、易控制并能实现大面积沉积等优点，因而成为当今工业化生产中研究最多、工艺最成熟和应用最广的一项方法。但是，在高沉积速率和低衬底温度下，即使能够在较短时间内得到附着性好、成膜均匀的样品，也难以避免GZO薄膜结晶质量较差，导电性不稳定的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术之缺陷，提供一种掺镓氧化锌(GZO)薄膜的制备方法及其制备的薄膜和应用。本专利技术实施例是这样实现的，第一方面提供一种掺镓氧化锌薄膜的制备方法，其包括如下步骤将Ga2O3粉体和ZnO粉体混合，烧结作为GZO靶材，所述Ga2O3粉体与所述ZnO粉体的质量比为1/1999 1/99 ；将所述GZO靶材装入磁控溅射腔体内，抽真空，设置工作压强为0. 2Pa I. 5Pa，惰性气体流量为15sccm 35sccm，溅射功率为60W 160W，溅射得掺镓氧化锌薄膜；对上述制得的掺镓氧化锌薄膜进行退火处理，退火气氛为惰性气体和氢气的混合气体，其中，氢气的摩尔体积百分含量为5% 30%，退火温度为200°C 600°C。本专利技术实施例的另一目的在于提供上述掺镓氧化锌薄膜的制备方法获得的掺镓氧化锌薄膜。本专利技术实施例的另一目的在于提供上述掺镓氧化锌薄膜在半导体光电器件中的应用。本专利技术实施例以GZO为靶材，采用磁控溅射法，溅射得到掺镓氧化锌薄膜，其具有沉积速率高、薄膜附着性好、易控制并能实现大面积沉积等优点。进一步，通过引入惰性气体和氢气的混合气体对得到的GZO薄膜进行退火后处理，达到提高薄膜结晶质量、增加导电性、稳定电阻率的目的。附图说明图I是本专利技术实施例的掺镓氧化锌薄膜的制备方法的流程图；图2是本专利技术不同氢气含量退火得到掺镓氧化锌薄膜的电阻率变化曲线；图3是本专利技术不同退火温度退火得到掺镓氧化锌薄膜的X射线衍射图；图4是本专利技术实施例2的掺镓氧化锌薄膜在紫外-可见光波长范围的透射光谱图；图5是本专利技术实施例2制备的掺镓氧化锌薄膜在不同使用温度下使用48小时后的电阻变化曲线。具体实施方式 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。请参阅图1，示出本专利技术实施例的一种掺镓氧化锌薄膜的制备方法，其包括如下步骤SOl :将Ga2O3粉体和ZnO粉体混合，烧结作为GZO靶材，所述Ga2O3粉体与所述ZnO粉体的质量比为1/1999 1/99 ；S02 :将所述GZO靶材装入磁控溅射腔体内，抽真空，设置工作压强为0. 2Pa I. 5Pa，惰性气体流量为15sccm 35sccm，溅射功率为60W 160W，溅射得掺镓氧化锌薄膜；S03:对上述制得的掺镓氧化锌薄膜进行退火处理，退火气氛为惰性气体和氢气的混合气体，其中，氢气的摩尔体积百分含量为5% 30%，退火温度为200°C 600°C。步骤SOl中，将Ga2O3在900°C 1350°C温度下烧结，得到GZO陶瓷靶材。优选地，Ga2O3粉体与ZnO粉体的质量比为1/1000 1/300。在本专利技术一个优选实施例中，GZO靶材选用Ga2O3粉体和ZnO粉体的质量比为1/333。ZnO掺杂Ga后在导带底出现大量由Ga原子贡献的自由载流子——电子，明显提高了电导率，改善了 ZnO的导电性能，提高了薄膜质量，但是掺杂Ga的浓度过高会导致ZnO结晶质量下降。在本专利技术中，采用较低浓度的Ga掺杂，选择合适的磁控溅射条件以及后处理，便可以得到性能优异的透明导电薄膜。步骤S02中，溅射掺镓氧化锌薄膜可以选用石英衬底、蓝宝石衬底等常用衬底。使用前用丙酮、无水乙醇和去离子水超声洗涤，并用高纯氮气吹干。靶材与衬底的距离优选为40mm 70mm。靶材装入溅射腔体内后，抽真空，用机械泵或者分子泵将腔体的真空度抽至I. OX 10_3Pa I. OX 10_5Pa以上，优选为6. OX 10_4Pa。要得到性能优异的掺镓氧化锌薄膜，工艺条件设置非常重要。惰性气体流量优选为18sccm 25SCCm，工作压强优选为0. 8Pa I. 2Pa，溅射功率优选为80W 120W，衬底无需加热。薄膜的厚度一般为150nm 500nm。步骤S03中，对上述特定工艺条件下制得的掺镓氧化锌薄膜进行退火处理，退火处理包括将掺镓氧化锌薄膜升温至退火温度并保温的过程。退火气氛为惰性气体和氢气的混合气体，氢气能增加导电性能，惰性气体能够防止氧气、氮气和二氧化碳等影响，同时也减少只使用氢气爆炸的危险性。退火处理过程中，退火气体的组成、温度、保温时间以及升温速率都影响最后所得掺镓氧化锌薄膜的性能。优选地，氢气的摩尔体积百分含量为10% 20%，退火温度为450°C 500°C。退火升温不易过快或者过慢，升温速率为1°C /min 10°C /min,优选地，升温速率为4°C /min 6°C /min。升温至退火温度后，保持0. 5h 5h，优选地，保持2h 3h。退火提高了薄膜的结晶质量，增加薄膜导电性，稳定电阻，使得少量Ga掺杂就可以降低导电率，避免其影响ZnO的结晶质量。本专利技术实施例还提供一种采用所述的多掺镓氧化锌薄膜的制备方法制备的掺镓氧化锌薄膜，其在0°c 300°C内使用48小时后，电阻变化率小于15%。以及上述掺镓氧化锌薄膜在制备半导体光电器件中的应用，主要是在透明加热元件、抗静电、电磁波防护膜、太阳能之透明电极的应用。 本专利技术实施例提供的掺镓氧化锌薄膜的制备方法，采用磁控溅射法，溅射掺镓氧化锌薄膜，实现了薄膜电阻的最大程度降低，同时保持在可见光区的高透过率。而且，采用惰性气体和氢气的混合气体对对溅射所得的掺镓氧化锌薄膜进行退火处理，能够增加透明导电薄膜的导电性能，同时使得较少的Ga掺杂ZnO就可以降低电阻。以下结合具体实施例对本专利技术的具体实现进行详细描述实施例I :选用Ga2O3 ZnO = I 999 (质量比)粉体，经过均匀混合后，1250°C高温烧结成060X2mm的陶瓷靶材，将GZO靶材装入真空腔体内。然后，先后用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗石英衬底，并用高纯氮气吹干，放入真空腔体。把靶材和衬底的距离设定为50mm。用机械泵和分子泵把腔体的真空度抽到6. OX KT4Pa,通入20sccm的IS气，压强调节为I. OPa0 GZO靶的溅射功率100W，溅射得到掺镓氧化锌薄膜，经过测试，其电阻率为2.5X10_2Q -cm.再将所得掺镓氧化锌薄膜经氩气和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺镓氧化锌薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤 将Ga2O3粉体和ZnO粉体混合，烧结作为GZO靶材，所述Ga2O3粉体与所述ZnO粉体的质量比为1/1999 1/99 ； 将所述GZO靶材装入磁控溅射腔体内，抽真空，设置工作压强为O. 2Pa I. 5Pa，惰性气体流量为15sccm 35sccm，溅射功率为60W 160W，溅射得掺镓氧化锌薄膜； 对上述制得的掺镓氧化锌薄膜进行退火处理，退火气氛为惰性气体和氢气的混合气体，其中，所述混合气体中氢气的摩尔体积百分含量为5% 30%，退火温度为200°C 600。。。2.如权利要求I所述的掺镓氧化锌薄膜的制备方法，其特征在于，所述Ga2O3粉体与所述ZnO粉体的质量比为1/1000 1/300。3.如权利要求I所述的掺镓氧化锌薄膜的制备方法，其特征在于，所述混合气体中氢气的摩尔体积百分含量为10% 20%。4.如权利要求I所述的掺镓氧化锌薄膜的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周明杰，王平，陈吉星，黄辉，
申请(专利权)人：海洋王照明科技股份有限公司，深圳市海洋王照明技术有限公司，
类型：发明
国别省市：