[发明专利]一种制备p型CuAlO2透明导电薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，具体涉及一种制备p型CuAlO₂透明导电薄膜的方法。

背景技术

透明导电氧化物(TCO)是平板显示器、太阳电池、光电子器件等领域中不可或缺的材料，如In₂O₃:Sn (ITO), ZnO:Al (AZO), 和SnO₂:F (FTO)等，它们均为n型导电材料，其薄膜仅作为单一的电学或光学涂层使用，而pn结是半导体器件的基础，p型TCO材料是制作透明pn结的必不可少的材料，但p型TCO发展较为缓慢，制约了半导体相关器件的开发和应用。

1997年Kawazoe等人首次报道了具有p型铜铁矿结构的CuAlO₂透明导电氧化物薄膜，引发了人们对p型透明导电薄膜的研发热情，但至今CuAlO₂薄膜的性能仍有待于提高。目前CuAlO₂薄膜主要是采用脉冲激光沉积设备制得，该方法制得的薄膜均匀性差，制备设备复杂，成本太高，很难实现p型CuAlO₂薄膜在工业上的应用与推广。磁控溅射方法制备的薄膜尽管有着大面积均匀成膜、易于工业化的优点，但其所制备的薄膜结晶性差，而且难以保持薄膜成分与靶材的一致性，不适合制备具有多元素化学计量比的薄膜。因此，开发高质量p型CuAlO₂薄膜的低成本、高效率制备具有重要的应用价值。

电子束蒸发镀膜技术具有简单易操作的优点，且其制备薄膜过程中具有电子束能量高、蒸发速率快等特点，对于氧化物薄膜的制备，可以不通入任何反应气体，直接从陶瓷靶材上蒸发在衬底上成膜，是一种低成本、高效率沉积氧化物薄膜的方法和生产工艺。合成晶相纯净的适合于电子束蒸发镀膜设备使用的CuAlO₂陶瓷靶材对成膜质量非常关键。通常电子束蒸发镀膜设备的源材料(即靶材)是放在一个可以转动的口径约为3.6cm铜坩埚或碳坩埚内，利用磁场控制电子束达到源材料上蒸发在基板上成膜，是一种低成本的可以保持靶材和薄膜的成分一致的镀膜方法。靶材的制备不能太大或太厚，否则，压片时成形难增加附加工序，另在烧结时易受热不均导致靶材晶相不纯，且不易放入源坩埚内。CuAlO₂靶材在制备过程中所需温度在1000^oC以上，由原材料Cu₂O和Al₂O₃发生固相反应制得，合成CuAlO₂所需原材料Cu₂O和Al₂O₃具有价格低廉、环保等优点。

发明目的

本发明的目的在于提出一种简单易行、成本低、效率高的制备p型CuAlO₂透明导电薄膜的方法。

本发明方法具体为：首先，采用Cu₂O和Al₂O₃为原料，经过人工研磨或机械球磨4小时以上，使之混合均匀，将混合粉末装入压片机在30～50 MPa的压力下保持1～3分钟，制成直径为1.4 cm、厚度为 2.1 mm的圆柱状靶材坯料，将靶材坯料放入刚玉坩埚中盖好后置于单晶炉中，控制温度为1100^oC～1200^oC烧结10～15小时即得到CuAlO₂陶瓷靶材；然后，将烧制好的CuAlO₂陶瓷靶材放入电子束蒸发镀膜设备的铜坩埚或碳坩埚内，抽真空至1×10^-4Pa以下，在不通入任何反应气体的条件下，进行电子束蒸发镀膜，控制电子束流为20mA～250mA，蒸发时间为5～45 分钟，即得到p型CuAlO₂透明导电薄膜。

本发明的有益效果：

本发明所制备的靶材由于体积小，烧结过程中受热均匀，易得到晶相纯净的靶材，同时易于覆盖电子束蒸发镀膜设备的坩埚底部，不致于被电子束击穿，适用于对靶材形状没有固定要求的真空镀膜系统使用。

本发明使用单晶炉进行一次多批量的靶材烧结，且无需二次烧结，即得结晶优良的靶材。

电子束蒸发镀膜时不通入任何工作气体，减少了复杂气路管道设施，本底压强为1×10^-4Pa，试验过程简单。

电子束蒸发镀膜时，蒸镀条件为：蒸镀高压为6 kV或8kV档位，电子束流为20～250mA，蒸镀时间5～45分钟。