氧化鋅摻釔(ZnO:Y)透明導電薄膜及其製備方法

2023-06-04 17:58:51 2

專利名稱：氧化鋅摻釔(ZnO:Y)透明導電薄膜及其製備方法
技術領域：
本發明屬於電子材^l"技術領域，具體地說是一種氧化鋅摻釔(ZnO:Y)透明 導電薄膜及其製備方法。
背景技術：
透明導電薄膜作為一種既對可見光透明，又具有良好電導率的材料，在顯 示器件、太陽能電池、抗靜電塗層、電磁屏蔽以及隔熱節能玻璃等方面具有廣 泛的應用。目前，摻錫的氧化銦薄膜(In203:Sn，簡稱IT0)是應用最為廣泛的 透明導電薄膜，但是ITO也存在許多缺點作為OLED的透明電極，ITO和空穴 注入層的界面存在高能勢壘，從而降低器件的發光效率，參見J. S. Kim等人 的"單層和雙層聚合物發光二極體中ITO的處理陽極材料的物理、化學和形 貌性質與器件性能的關係"《應用物理》84 (1998) 6859 (J. S. Kim， et al. Indi咖-tin oxide treatments for single- and double—layer polymeric light-emitting diodes: The relation between the anode physical, chemical: and morphological properties and the device performance, J. Appl. Phys. 84 (1998) 6859);銦原子容易向有機層擴散導致器件壽命降低，參見E. Gautier 等人的"聚合物/金屬發光二極體中ITO電極的界面效應"《應用物理快報》69 (1996) 1071 (E. Gautier， A. Lorin， et aL Electrode interface effects on indium-tin-oxide polymer/metal light emitting diodes, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 1071);銦元素在自然界的含量較少，這些缺點限制了 ITO的 應用。近年來，ZnO及其摻雜體系被廣泛研究，有希望成為ITO的替代材料。目 前摻A1、 Ga、 In、 Zr、 B和Mo等元素的ZnO薄膜已經用各種技術製備出來。
中國佔世界稀土資源的41.36%,是一個名符其實的稀土資源大國，稀土資源極為豐富。如果能用稀土摻雜氧化鋅薄膜替代ITO薄膜，將會極大地降低透 明導電薄膜的製備成本。引人注目的是，摻Sc的氧化鋅薄膜具有非常優異的電 學和光學性能，參見Tadatsugu Minami等人的"磁控濺射法製備的高透過率和 高電導率的稀土摻雜氧化鋅薄膜"《固體薄膜》366 (2000) 63 (T. Minami et al. Highly transparent and conductive rare earth-doped ZnO thin films prepared by magnetron sputtering Thin Solid Films 366 (2000) 63)。但 是作為Sc源的ScA非常昂貴，考慮到釔(Y)與鈧(Sc)屬同一族元素,而且釔價格 低廉，因此我們通過在氧化鋅中摻入適量的Y203製成氧化鋅釔(ZnO:Y)靶材，然 後製備出了高品質的ZnO:Y透明導電薄膜。

發明內容
本發明提出一種新型質量較好的氧化鋅摻釔(ZnO:Y)透明導電薄膜及其制 備方法。
本發明可以通過如下措施達到
一種氧化鋅摻釔(Zn0:Y)透明導電薄膜，其特徵在於以ZnO為主體材料， 摻入釔(Y)元素組成，釔(Y)元素是以氧化釔(Y203)的形式摻入的，氧化釔 (YA)的摻入量為總重量的2-5%，製備的ZnO:Y薄膜經過X射線衍射測試沒有 新的化合物形成，因此釔能夠替代鋅形成替位式摻雜的透明導電薄膜，這種薄 膜具有良好的導電性，在可見光區具有很好的透過率。
一種氧化鋅摻釔(Zn0:Y)透明導電薄膜的製備方法，其特徵在於利用射頻 磁控濺射法製備，其步驟如下
(1) 用純度均為99.99y。的Zn0和Y203粉末成坯、燒結製成了 ZnO:Y靶材， 氧化釔(Y203)的摻入量為總重量的2-5%。
(2) 將步驟(1)的靶材和清洗過的基片放入射頻磁控濺射儀，濺射製備 ZnO:Y透明導電薄膜，濺射儀本底真空為1.0X10—4Pa，濺射氣體為氬氣，氬氣 的氣壓0. 6-3. 0Pa，濺射功率為40-120W，濺射時間為3分56秒-30分46秒，膜厚為200-800nm。
本發明步驟(2)中基片是普通玻璃，對基片依次用超聲波和丙酮清洗。 本發明步驟(2)中濺射氣體氬氣的純度為99.99%。
本發明製備的ZnO:Y薄膜具有良好的光電性能，當氧化釔的摻入量為總重 量的3%時，製備的薄膜電阻率達到8. 7X 10—4Q cm，在可見光區透過率達到93%; 本發明具有生產成本低、質量好、無毒、無汙染、濺射設備簡單等優點，特別 適用於大面積成膜。


圖1是本發明實施例1中濺射製得的透明導電薄膜的XRD圖像。 圖2是本發明實施例2中濺射製得的透明導電薄膜的XRD圖像。 圖3是本發明實施例3中濺射製得的透明導電薄膜的XRD圖像。 圖4是本發明實施例4中濺射製得的透明導電薄膜的XRD圖像。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明做進一步說明
實施例l:
(1) 用純度均為99.9996的Zn0和Y203粉末成坯、燒結製成了 ZnO:Y靶材， ZnO和103粉末的重量比為97:3。
(2) 選用普通玻璃作為基片，對基片依次用超聲波和丙酮清洗，將步驟(l) 的靶材和清洗過的基片送入射頻磁控濺射儀製成透明導電薄膜，濺射儀本底真 空為1.0X10—卞a，濺射氣體為純度為99.99%的氬氣，調節濺射氣壓為2. 0Pa， 濺射功率為IOOW，濺射時間為3分56秒，透明導電薄膜厚為200 nm，方阻為 60Q，透明導電薄膜的電阻率為1.2X10—3Q cm。
所製備的ZnO:Y透明導電薄膜的XRD圖像如圖1所示，由圖中可以看到， 透明導電薄膜具有明顯的ZnO (002)峰，說明透明導電薄膜已經形成很好的ZnO六角結構，生長方向沿C軸垂直於基片。 實施例2:
如實施例1所述，所不同的是步驟(2)中濺射時間為7分52秒，厚度為 400 nm，方阻為27Q，透明導電薄膜的電阻率為1.08X1(T3 Q cm，所製備的 ZnO:Y透明導電薄膜的XRD圖像如圖2所示，與圖1相比，ZnO (002)峰的強度 增強，說明隨著透明導電薄膜的厚度增加，透明導電薄膜的晶粒變大，晶化增 強。
實施例3:
如實施例l所述，所不同的是步驟(2)中濺射時間為11分47秒，透明導 電薄膜厚為600 nm，方阻為14. 8 Q 。透明導電薄膜的電阻率為8. 9X10—4 Q cm, 所製備的ZnO:Y透明導電薄膜的XRD圖像如圖3所示，與圖1相比，ZnO (002) 峰的強度明顯增強，說明隨著厚度增加，透明導電薄膜的晶化程度提高，透明 導電薄膜的電阻率減小。
實施例4:
如實施例1所述，所不同的是步驟(2)中濺射功率為50 W，濺射時間為 30分46秒，透明導電薄膜厚為600 nm，方阻為14.5Q。透明導電薄膜的電阻 率為8. 7X10—4 Q cm，所製備的ZnO:Y透明導電薄膜的XRD圖像如圖4所示， 與圖3相比，ZnO (002)峰的強度明顯增強，說明隨著濺射功率減小，透明導 電薄膜的晶化程度增強。
權利要求
1、一種氧化鋅摻釔(ZnO:Y)透明導電薄膜，其特徵在於以ZnO為主體材料，摻入釔(Y)元素組成。
2、 權利要求1所述的一種氧化鋅摻釔(ZnO:Y)透明導電薄膜，其特徵在 於釔(Y)元素是以氧化釔(Y203)的形式摻入的，氧化釔(Y203)量為總重量的 2-5%。
3、 一種氧化鋅摻釔(ZnO:Y)透明導電薄膜的製備方法，其特徵在於採用 射頻磁控濺射法。
4、 根據權利要求3所述的一種氧化鋅摻釔(ZnO:Y)透明導電薄膜的製備 方法，其特徵在於具體操作步驟如下(1) 用純度均為99. 99%的Zn0和YA粉末成坯、燒結製成Zn0:Y靶材，氧 化釔(Y203)的摻入量為總重量的2-5%。(2) 將步驟(1)的靶材和清洗過的基片放入射頻磁控濺射儀，濺射製備 ZnO:Y透明導電薄膜，濺射儀本底真空為1.0X10—4Pa，濺射氣體為氬氣，氬氣 的氣壓0. 6-3. 0Pa，濺射功率為40-120W,濺射時間為3分56秒-30分46秒， 膜厚為200-800nm。
5、 根據權利要求4所述的一種氧化鋅摻釔(ZnO:Y)透明導電薄膜的製備 方法，，其特徵在於基片是普通玻璃，對基片依次用超聲波和丙酮清洗。
6、 根據權利要求4所述的一種氧化鋅摻釔(ZnO:Y)透明導電薄膜的製備 方法，，其特徵在於濺射氣體氬氣，氬氣的純度為99.99%。
全文摘要
本發明屬於電子材料技術領域，具體地說是一種氧化鋅摻釔(ZnO:Y)透明導電薄膜及其製備方法，其特徵在於以ZnO為主體材料，摻入釔(Y)元素組成，氧化釔(Y2O3)的摻入量為總重量的2-5％，製備方法為(1)用純度均為99.99％的ZnO和Y2O3粉末成坯、燒結製成ZnO:Y靶材，(2)將步驟(1)的靶材和清洗過的基片放入射頻磁控濺射儀，濺射製備ZnO:Y透明導電薄膜，濺射儀本底真空為1.0×10-4Pa，濺射氣體為氬氣，氬氣的氣壓0.6-3.0Pa，濺射功率為40-120W，濺射時間為3分56秒-30分46秒，膜厚為200-800nm，本發明製備的產品具有良好的光電性能，電阻率達到8.7×10-4Ωcm，在可見光區透過率達到93％；本發明具有生產成本低、質量好、無毒、無汙染、濺射設備簡單等優點，本發明特別適用於大面積成膜。
文檔編號C23C14/06GK101552048SQ200910015219
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月14日 優先權日2009年5月14日
發明者劉清田, 姜麗莉, 孔偉畢, 宋淑梅, 李延輝, 楊田林, 辛豔青, 韓聖誥 申請人:山東大學威海分校