一種摻鎵氧化鋅透明導電膜及其製備方法和應用的製作方法

2023-12-02 14:55:56 3

專利名稱：一種摻鎵氧化鋅透明導電膜及其製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及光電材料領域，尤其涉及一種摻鎵氧化鋅透明導電膜。本發明還涉及一種摻鎵氧化鋅透明導電膜的製備方法和應用。
背景技術：
透明導電薄膜是把光學透明性能與導電性能複合在一體的光電材料，由於其具有優異的光電特性，成為近年來的研究熱點和前沿課題。雖然ITO薄膜是目前綜合光電性能優異、應用最為廣泛的一種透明導電薄膜材料，但是銦有毒，價格昂貴，穩定性差，在氫等離子體氣氛中容易被還原等問題，人們力圖尋找一種價格低廉且性能優異的ITO替換材料。 其中，摻鎵氧化鋅(Ga-doped SiO，簡稱GZO薄膜)具有材料廉價，無毒，可以同ITO相比擬的電學和光學性能等特點，已成為最具競爭力的透明導電薄膜材料。
採用磁控濺射方法製備GZO薄膜，具有沉積速率高、襯底溫度相對較低、薄膜附著性好、易控制並能實現大面積沉積等優點，因而成為當今工業化生產中研究最多、工藝最成熟和應用最廣的一項方法。但是，如果要得到低電阻率的GZO薄膜，一定要準確控制薄膜中的( 含量，目前眾多的報導中，可以做得比較低電阻的( 含量是2 5wt%之間，如要調整薄膜中的( 含量，比較多是通過改變靶材的( 成份來實現的。這種方法，往往需要製備多個靶材，這樣就造成了靶材的浪費，成本的提高；而且，往往製備出來的薄膜的( 含量是偏離靶材原有成份的，所以此方法的含量控制並不精確，薄膜製備的可重複性不高。發明內容
為了解決上述問題，本發明提供一種通過改變薄膜製備工藝來實現調節薄膜中( 含量的摻鎵氧化鋅透明導電膜的製備方法。
本發明利用磁控濺射設備，採用單一 ( 成份的( : ZnO陶瓷靶材，通過改變製備過程中基底和靶材的間距(優選50 80mm)，製備得到不同( 含量的GZO薄膜。基靶間距越大，製備得到的薄膜中( 含量越高。通過對各樣品進行電阻測試，最終確定製備GZO的最佳( 含量。
其技術方案的製備流程如下
(1)靶材的製備選用Ga2O3 ZnO=I 99 5 95 (質量比)，優選質量比 1. 5 98. 5，混合、研磨成粉體後經900 1300°C高溫燒結處理，製得Ga2O3: ZnO陶瓷靶材；
(2)將步驟(1)中的製得Ga2O3 = ZnO陶瓷靶材和襯底間隔相對地裝入磁控濺射鍍膜設備的真空腔體；用機械泵和分子泵把真空腔體的真空度抽至1. OX 1. OX 10_5Pa， 優選6. OX KT4Pa ；並溫度升到450°C 750°C，優選650°C，對所述襯底進行預熱處理1 4 小時；
(3)調整磁控濺射鍍膜工藝參數為濺射功率60 160W，優選100W，工作壓強 0. 2 2. OPa，優選1. OPa,以及氬氣工作氣體的流量15 35sccm，優選20sccm ；然後進行鍍膜處理，製得所述摻鎵氧化鋅透明導電膜。
本發明製得的摻鎵氧化鋅透明導電膜，其( 含量為2. 3wt% 5. 8wt%,電阻率為 6.6Χ10_4Ω Η ΝβδΖ.δΧΙΟ Ω · cm ；這種摻鎵氧化鋅透明導電膜有望在應用於有機半導體材料中，用於製備有機太陽能電池，有機場效應電晶體，有機電致發光器件，有機光存儲，有機非線性材料或有機雷射器件等。
上述薄膜的製備所用的襯底是石英片襯底。
與現有技術相比，本發明具有以下優點
本發明製備摻鎵氧化鋅透明導電膜，所用的靶材是單一 ( 成份的靶材，通過調整磁控濺射鍍膜工藝參數，製備出不同( 含量的薄膜；本發明的摻鎵氧化鋅透明導電膜電阻率隨著Ga含量的增加，先降低後升高，在Ga含量為4. 6wt %時達到最低6. 6 X 10_4 Ω · cm, 且其可見光平均透過率大於85%，可以與已經商品化的ITO薄膜的性能相媲美。


圖1為本發明的鋁酸鑭發光材料的製備工藝流程圖2是本發明的基靶間距下得到GZO薄膜的( 含量變化曲線；
圖3是本發明的不同基靶間距下得到GZO薄膜的電阻率變化曲線；
圖4是本發明中實施例2的薄膜的透射光譜。
具體實施方式
本發明提供一種通過改變薄膜製備工藝來實現調節薄膜中( 含量的摻鎵氧化鋅透明導電膜的製備方法。
本發明利用磁控濺射設備，採用單一 ( 成份的( : ZnO陶瓷靶材，通過改變製備過程中基底和靶材的間距(50 80mm)，製備得到不同( 含量的GZO薄膜。基靶間距越大，製備得到的薄膜中( 含量越高。通過對各樣品進行電阻測試，最終確定製備GZO的最佳( 含量。
如圖1所示，其技術方案的製備流程如下
Si、靶材的製備選用Ga2O3 ZnO=I 99 5 95 (質量比)，優選質量比 1. 5 98. 5，混合、研磨成粉體後於900 1300°C高溫燒結處理，製得Ga2O3: ZnO陶瓷靶材；
S2、將步驟Sl中的製得Ga2O3 = ZnO陶瓷靶材和襯底間隔相對地裝入磁控濺射鍍膜設備的真空腔體；用機械泵和分子泵把真空腔體的真空度抽至1. OX 1. OX 10_5Pa， 優選6. OX KT4Pa ；並溫度升到450°C 750°C，優選650°C，對所述襯底進行預熱處理1 4 小時；
S3、調整磁控濺射鍍膜工藝參數為濺射功率60 160W，優選100W，工作壓強 0. 2 2. OPa，優選1. OPa,以及氬氣工作氣體的流量15 3kccm，優選20sccm ；然後進行鍍膜處理，製得所述摻鎵氧化鋅透明導電膜。
上述步驟S2中所用的襯底是石英片襯底，且被用之前需進行清洗處理，如依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗，然後惰性氣體，如氮氣吹乾或惰性氣氛下烘乾。
本發明製備摻鎵氧化鋅透明導電膜，所用的靶材是單一 ( 成份的靶材，通過調整磁控濺射鍍膜工藝參數，製備出不同( 含量的薄膜；本發明的摻鎵氧化鋅透明導電膜電阻率隨著Ga含量的增加，先降低後升高，在Ga含量為4. 6wt %時達到最低6. 6 X 10_4 Ω · cm,且其可見光平均透過率大於85%，可以與已經商品化的ITO薄膜的性能相媲美，如圖2、3和 4所示。
圖2是本發明的基靶間距下得到GZO薄膜的( 含量變化曲線；如圖所示，隨著 Ga2O3 = ZnO陶瓷靶材和襯底間隔的增加，Ga的含量也隨著增加。
圖3是本發明的不同基靶間距下得到GZO薄膜的電阻率變化曲線；間距為60mm時達到最低值6.6 X 10_4 Ω · cm。
圖4是本發明中實施例2的透射光譜；在可見光區的平均透過率大於85%
下面對本發明的較佳實施例作進一步詳細說明。
實施例1
選用Gei2O3 ZnO = 1. 5 98. 5 (質量比)粉體，經過均勻混合後，於900°C高溫燒結成Φ 60 X 2mm的Ga2O3 = ZnO陶瓷靶材，並將該Ga2O3 = ZnO陶瓷靶材裝入磁控濺射鍍膜設備的真空腔體內。然後，先後用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗石英襯底，並用高純氮氣吹乾後，將放入石英襯底也裝入磁控濺射鍍膜設備的真空腔體。把Ga2O3:ZnO陶瓷靶材和石英襯底的相對距離設定為50mm。用機械泵和分子泵把腔體的真空度抽到6. OX 10_4Pa， 然後對升溫至650°C對石英片襯底預熱處理時間1小時，通入20sCCm的氬氣，壓強調整為1.OPa，濺射功率IOOff0得到的GZO薄膜Ga含量為2. 3wt%，電阻率為68. 3 X IO"4 Ω · cm。
實施例2
選用Gei2O3 ZnO = 1 99 (質量比)粉體，經過均勻混合後，於1300°C高溫燒結處理成Φ 60 X 2mm的Gii2O3: ZnO陶瓷靶材，並將Gii2O3: ZnO靶材裝入磁控濺射鍍膜設備的真空腔體內。然後，先後用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗石英襯底，並用高純氮氣吹乾後，將放入石英襯底也裝入磁控濺射鍍膜設備的真空腔體。把Ga2O3 ZnO陶瓷靶材和石英襯底的相對距離設定為60mm。用機械泵和分子泵把腔體的真空度抽到1. OX 10_3Pa，然後對升溫至450°C對石英片襯底預熱處理時間4小時，通入15sCCm的氬氣，壓強調整為0. 2Pa，濺射功率160W。得到的GZO薄膜( 含量為3. 9wt%，電阻率為6. 6 X Kr4 Ω .cm。
實施例3
選用Gei2O3 ZnO = 5 95 (質量比)粉體，經過均勻混合後，於1250°C高溫燒結處理成Φ 60 X 2mm的Ga2O3 = ZnO陶瓷靶材，並將該Ga2O3 = ZnO陶瓷靶材裝入磁控濺射鍍膜設備的真空腔體內。然後，先後用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗石英襯底，並用高純氮氣吹乾後，將放入石英襯底也裝入磁控濺射鍍膜設備的真空腔體。把Ga2O3:ZnO陶瓷靶材和石英襯底的相對距離設定為70mm。用機械泵和分子泵把腔體的真空度抽到1. OX 10_3Pa， 然後對升溫至750°C對石英片襯底預熱處理時間2小時，通入35sCCm的氬氣，壓強調整為2.OPa，濺射功率80W。得到的GZO薄膜Ga含量為5. 2wt%，電阻率為220. 5 X IO"4 Ω · cm。
實施例4
選用Gei2O3 ZnO = 3 97 (質量比)粉體，經過均勻混合後，於1100°C高溫燒結成Φ60Χ2πιπι的Ga2O3 = ZnO陶瓷靶材，並將該Ga2O3 = ZnO陶瓷靶材裝入磁控濺射鍍膜設備的真空腔體內；然後，先後用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗石英襯底，並用高純氮氣吹乾後，將放入石英襯底也裝入磁控濺射鍍膜設備的真空腔體。把Ga2O3:ZnO陶瓷靶材和石英襯底的相對距離設定為80mm。用機械泵和分子泵把腔體的真空度抽到1. OX 10_5Pa，然後對升溫至600°C對石英片襯底預熱處理時間3小時，通入30sCCm的氬氣，壓強調整為1. 5Pa,濺射功率130W。得到的GZO薄膜( 含量為5. 8wt%，電阻率為352. 8 X Kr4 Ω · cm。
上述實施例2中，基靶間距設定為60mm時製備所得的GZO薄膜，( 含量為 3.9wt%，偏離了靶材原有的( 成份(1.5wt% )，6.6Χ10_4Ω · cm，可見光平均透過率大於 85%，已經達到了工業化生產的性能指標。
應當理解的是，上述針對本發明較佳實施例的表述較為詳細，並不能因此而認為是對本發明專利保護範圍的限制，本發明的專利保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種摻鎵氧化鋅透明導電膜的製備方法，包括如下步驟選用質量比為1 99 5 95的Ga2O3和ZnO為原材料，研磨成粉體後經高溫燒結處理，製得Ga2O3 = ZnO陶瓷靶材；將上述製得的Ga2O3 = ZnO陶瓷靶材和襯底間隔相對地裝入磁控濺射鍍膜設備的真空腔體中，所述真空腔體的真空度為1. OX IO3Pa 1. OX 10』a ；並對所述襯底進行預熱處理；調整磁控濺射鍍膜工藝參數為濺射功率為60 160W，工作壓強0. 2 2. OPa,以及氬氣工作氣體的流量15 35sCCm ；然後進行鍍膜處理，製得所述摻鎵氧化鋅透明導電膜。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述Ga2O3和SiO的質量比為 1. 5 98. 5。
3.根據權利要求1或2所述的製備方法，其特徵在於，所述高溫燒結處理的溫度範圍為 900 1300"C。
4.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述陶瓷靶材和襯底的間隔距離為 50mm 80mmo
5.根據權利要求1或4所述的製備方法，其特徵在於，所述襯底為石英片襯底。
6.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述真空度為6.OXlO—Va。
7.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述預熱處理的溫度為450°C 750°C，預熱處理時間1 4小時。
8.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於，所述磁控濺射鍍膜工藝參數為濺射功率為100W，工作壓強1. OPa,以及氬氣工作氣體的流量20sCCm。
9.根據權利要求1至8任一所述製備方法製得的摻鎵氧化鋅透明導電膜，該導電膜的 Ga 含量為 2. 3wt % 5. 8wt %，電阻率為 6. 6 X 1(Γ4 Ω · cm ；352. 8 X 1(Γ4 Ω · cm。
10.權利要求9所述的摻鎵氧化鋅透明導電膜在有機半導體材料中的應用。
全文摘要
本發明屬於發光材料領域，其公開了一種摻鎵氧化鋅透明導電膜的製備方法，包括步驟製備Ga2O3:ZnO陶瓷靶材；對鍍膜設備的腔體進行真空處理；調整磁控濺射鍍膜工藝參數，進行鍍膜處理。本發明製備摻鎵氧化鋅透明導電膜，所用的靶材是單一Ga成份的靶材，通過調整磁控濺射鍍膜工藝參數，製備出不同Ga含量的薄膜；本發明的摻鎵氧化鋅透明導電膜電阻率隨著Ga含量的增加，先降低後升高，在Ga含量為4.6wt％時達到最低6.6×10-4Ω·cm，且其可見光平均透過率大於85％。
文檔編號C23C14/35GK102534498SQ20101060331
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月23日 優先權日2010年12月23日
發明者周明傑, 王平, 陳吉星, 黃輝 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術有限公司