[发明专利]一种透明导电氧化物薄膜的制备方法及应用

说明书

本发明提供一种透明导电氧化物薄膜制备的方法及应用，采用磁控溅射技术，经工艺调控，可实现高质量薄膜的高效率沉积，可在低温条件下实现60cm²V^‑1s^‑1的高载流子迁移率的透明导电氧化物薄膜的制备，电学性能与ITO相当，UV‑Vis‑IR全波段范围内的光学吸收率较ITO有明显降低。本发明所制备的掺氟氧化铟的透明导电氧化物薄膜具有良好的热稳定性，250℃以下的热处理基本不会带来材料性质的恶化；经过适宜后处理后的掺氟氧化铟薄膜可以实现其性能的进一步提升；此外在避免使用过渡金属元素，性能稳定的同时，可以实现光学性质的有效调控；并且由于不使用过渡金属元素，制备成本低廉。

技术领域

本发明属于光电子器件技术领域，特别涉及一种透明导电氧化物薄膜的制备方法及应用。

背景技术

在发光二极管、高效太阳电池等光电子器件中，需要使用透明电极进行高电流密度(～40mA/cm²或更高)电量的收集与传导，要求透明电极材料兼具高电导率及高透过率的特性，并且能够与金属电极实现良好接触。其中，以ITO(Indium Tin Oxide)为代表的氧化铟系透明导电氧化物被大量研究及开发应用。就材料性质而言，材料电导率σ＝Nqμ(其中N为载流子浓度，μ为载流子迁移率)。根据此公式，提升N或μ均可实现提高材料电导率的目的，但一般而言，提升N会降低材料光学性能(例如1.0×10²¹cm^-3)，而N过低(例如1.0×10¹⁹cm^-3)则往往会使得透明电极与金属电极的界面接触电阻较大，不利于电流传输。为此，开发具有高μ的透明导电氧化物材料对于保障其电、光综合性能，具有重要意义，是光电子器件领域的重要研究课题。

氧化铟系的透明导电氧化物中，以ITO为例，其μ范围一般为30-50cm²V^-1s^-1，受限于锡离子掺杂对载流子散射机制的影响，很难在保证电学性能的同时实现高μ。目前基于高μ的研究主要集中于进行金属元素掺杂，如Zn、W、Ce、Mo、Ti、Zr、Hf。但是这些掺杂金属氧化物很难在沉积之后得到高μ的透明导电薄膜，往往需要借助后退火等方式才能实现较高μ的氧化物材料。这样不仅增加工艺复杂程度，而且限制了其在封闭工艺空间或是具有温度限制的光电子器件的应用，例如硅异质结太阳电池，其工艺温度不宜超过200℃。另一方面，后退火步骤并非完美解决方案，上述透明导电氧化物往往还存在自身稳定性不好的缺陷，后退火步骤可能伴随金属元素的再氧化，继而伴随材料电学性质的恶化。

此外，这些金属元素的原子半径往往与In元素有较大差异，掺杂后很难实现晶格结构的完美延续，影响载流子在材料内部的散射机制，从而影响μ的提升潜力。与此同时，这些掺杂金属元素均为过渡金属，往往具有多种氧化态，较难实现透明导电层在广波段内光学性质的调控，并且增加材料制造成本。目前主要的技术问题是：(1)很难实现高载流子迁移率透明导电氧化物薄膜的低温一步制备；(2)载流子迁移率的提升能力有限且材料稳定性不佳；(3)采用过渡金属元素掺杂，光学性质调控困难；(4)消耗过渡金属，制备成本较高。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种透明导电氧化物薄膜的制备方法及应用，一种透明导电氧化物薄膜的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)在腔室中加入工作气体；

(2)采用磁控溅射，在衬底上通过靶材沉积透明导电氧化物薄膜：

所述靶材为掺氟氧化铟，或以氧化铟为靶材，以CF₄为掺杂气体；

所述透明导电氧化物薄膜中氟/铟原子比为0.01％-60％。

该范围内性能透明导电氧化物薄膜比较好的两个主要原因：一是氟离子半径与氧离子接近，氧化铟晶格结构变形程度很小，有利于载流子散射；二是氟取代氧，可以降低晶界处载流子的传输势垒。