[发明专利]一种二氧化锡/铜/二氧化锡多层透明导电薄膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种二氧化锡/铜/二氧化锡多层透明导电薄膜及其制备方法与应用，以氩气为等离子气源，以氧气为反应气体，在衬底上依次溅射第一二氧化锡膜、铜膜和第二二氧化锡膜，其中，二氧化锡膜采用远源等离子体溅射技术反应溅射沉积，铜膜采用直流溅射法溅射沉积。

技术领域

本发明属于新型透明导电氧化物薄膜技术领域，具体涉及一种二氧化锡/ 铜/二氧化锡多层透明导电薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

透明导电氧化物薄膜(TCOs)已广泛应用于光电子器件，特别是平板显示器、发光二极管、触摸屏、薄膜太阳能电池和节能玻璃屏幕等。为了使薄膜既透明又导电，薄膜就必须具有较大的禁带宽度，避免电子在可见光照射下从价带跃迁到导带，因为这样就会产生带间吸收。薄膜中最好还具有靠近导带或者价带的杂质能级，这样在外界因素作用下，电子或空穴才能被激发至导带或价带，在外加电场的作用下，电子才能运动，形成电流。宽带透明导电氧化物半导体，要保持良好的可见光透光性，其等离子频率就要小于可见光频率，要保持一定的导电性就需要一定的载流子浓度，而等离子频率与载流子浓度成比例。

透明导电膜的开发就是基于如何使二者更好的有机统一起来。自从在透明导电氧化物中第一次发现透光性与导电性可以共存后，新型TCO的开发及复合多层膜的设计都是围绕着这样一对矛盾体进行的。TCO可通过成分调整实现对带隙结构、载流子浓度和迁移率以及功函数等的控制来使其透光性与导电性矛盾的统一。单一金属膜由于透光性较差使其应用受到限制，因此，常与高折射率的电介质形成复合多层膜，这样就将金属的导电性与消反增透膜的透光性有机的统一起来，后来发展的高折射率TCO与金属的复合也都获得了很好的透光性与导电性匹配。早期研究根据材料的不同可将其分为金属透明导电薄膜、氧化物透明导电薄膜(TCO)、非氧化物透明导电薄膜及高分子透明导电薄膜。

目前，主流的TCO薄膜材料主要包括氧化铟锡(ITO)、铝掺杂氧化锌 (AZO)、氟掺杂氧化锡(FTO)等。氧化锡基的薄膜材料是一种较早地投入商业使用的TCO薄膜，与其他薄膜材料相比，氧化锡基薄膜的价格较为低廉，化学稳定性较强，耐酸蚀；热稳定性强，且具有较好的机械性能。氧化锡基的薄膜是一种N型宽禁带的半导体材料，禁带宽度在3.5eV到4eV之间，掺杂的氧化锡和未掺杂的氧化锡的晶体结构都是四方金红石型，它的晶胞为体心正交的平行六面体。理想状态下的氧化锡晶体的能带结构是价带全满，没有导电用空穴，而导带全空，没有自由电子提供载流子，所以理想情况下的氧化锡晶体是不导电的。但实际情况下，由于晶格内部锡原子和氧原子由于材料的热起伏引起的热震动会使得它们偏离既定位置，很容易产生锡原子位移和氧原子的空位，而氧空位的形成会使得薄膜材料产生一定量的载流子，从而使材料本身具有导电性。而本征的氧化锡的导电性能很差，对本征的氧化锡薄膜进行适当的掺杂可大幅度提高其导电性能。当对本征的氧化锡薄膜中掺杂氟元素时，F^-会替代O^2-或者在原有的氧化锡晶体结构基础上形成间隙氟原子，从而显著增加薄膜中的载流子浓度，所以能大幅提高氧化锡薄膜的导电性。

但是FTO薄膜在等离子体中的稳定性较差，不容易对其进行绒面腐蚀，在生产实际中只能利用高温在线化学气相沉积(CVD)的方法进行大规模的制备。化学气相沉积是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物或单质气体，供给衬底或基板，借助气相反应，在衬底或基板表面反应生成薄膜的方法。该方法灵活性较差，许多适宜形成膜层材料的气相先驱物缺乏或价格昂贵，实际生产中的应用受到一定的限制。另外，现有的FTO薄膜的导电性能较差，比起其他的透明导电氧化物薄膜还是有一定差距，还不能满足实际应用的需要。另外目前大多数商业化应用的透明导电薄膜均需要高沉积温度或后退火处理以达到预期的光电性能，然而这样就会导致工序繁琐，成本较高。同时难以在无法耐高温的柔性衬底上(例如PET或PEN)制备透明导电薄膜。

发明内容