專利名稱：一種p型導電透明摻鎳氧化銅薄膜及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于透明導電薄膜技術領域，具體涉及一種p型導電透明氧化物薄膜材料及其 制備方法。
技術背景透明導電氧化物(TCO)薄膜是一種氧化物半導體材料，以其獨特的透明性與導電性結 合于一體而廣泛應用于平板顯示、太陽能電池等領域。據(jù)報道，2004年與平面顯示相關的 市場交易近250億美元，透明導體的重要性可見一斑。TCO薄膜根據(jù)導電特性可分為n型 和p型兩類。n型TCO材料，如lri203:Sn (ITO)和Sn02:F (FTO)作為透明電極，其光 電特性已達到較好的水平。而與之相對應的p型TCO材料的研究雖然也已開展并取得了 一定的成果，但是長期以來，p型導電透明氧化物薄膜并未取得重大突破。1997年Kawazoe等報道了 CuA102具有p型的導電性和在可見光區(qū)一般的透明度。后 來，在同構的CuM02(M:Ga，Y，Sc,In)中也發(fā)現(xiàn)了類似CuAl02的p型導電性質。N、 P或 As摻雜的ZnO薄膜是近年來p型透明導體研究的另一個熱點，人們采用脈沖激光沉積 (PLD)、分子束外延、金屬有機化學氣相沉積、磁控濺射等薄膜生長方法可控地制備出高 質量的ZnO薄膜，但p型摻雜都會在材料內部同時產(chǎn)生"空穴殺手"間隙Zn和氧空位，從 而無法實現(xiàn)穩(wěn)定而實用化的p型導電類型。近年來，世界各國都在大力推動太陽能利用技術的發(fā)展。日本從1992年啟動新陽光 計劃到2003年，光伏組件生產(chǎn)已占世界的50%。德國新可再生能源法大大推動了光伏市場 和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使德國成為繼日本之后世界光伏發(fā)電發(fā)展最快的國家。太陽能光發(fā)電在各 個國家正受到前所未有的重視，但還存在能量轉換效率太低的問題。如果太陽光伏能源系 統(tǒng)能夠使用P型TC0材料，就能夠大幅度提高太陽能電池的效率，進而降低太陽能電池系 統(tǒng)的成本。因為n型和p型TC0材料迭加起來作透明陰陽極可以最大程度地使太陽光能進 入裝置中。優(yōu)良光電性能的p型透明材料的研究，也有助于透明p-n結，透明晶體管和透明場效 應晶體管等透明電子學器件的發(fā)展。脈沖等離子體沉積技術(Pulsed Plasma Deposition, PPD)同脈沖激光沉積(PLD)方 法類似，均是基于燒蝕鍍膜的過程，即把一個很高的能量瞬間轉移到靶材表面的很小部位， 造成其溫度高于升華限制，這樣靶材就被燒蝕出來并利用剩余的動能運動到基板表面而沉 積形成薄膜。PPD具有與PLD同樣的有效性和普適性，但操作上更為簡單，設備成本更為低廉。因此，研究和開發(fā)具有優(yōu)良光電性能的p型導電透明氧化物薄膜材料及其制備技術， 不僅具有理論意義，而且具有應用價值。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提出一種導電率高、透射率高、制作成本低的導電透明氧化物薄膜 及其制備方法。本發(fā)明提出的p型導電透明氧化物薄膜，具體是一種摻鎳氧化銅CUl.xNixO (x = 0 0.15)薄膜，采用脈沖等離子體沉積技術(PPD)制備獲得，薄膜厚度為30-200 nm，最高 電導率達到7.1 S《m—1，可見光區(qū)域的平均透射率高于65%。本發(fā)明提出的p型導電透明氧化物薄膜的制備方法，采用脈沖等離子體沉積技術 (PPD)，以摻鎳氧化銅CUl_xNixO (x = 0.01 0.15)陶瓷靶為燒蝕靶材，玻璃為基板，在 基板溫度為室溫的條件下，用脈沖電子束轟擊靶材，使靶材被燒蝕出來并利用剩余的動能 運動到基板表面而沉積形成薄膜，工作氣體設定為02，氣壓維持在2.6 3.4Pa，高壓直流 功率輸出源設定工作電壓為-15.5~-18kV，工作電流為2.7 5.1mA，脈沖電子束重復頻 率為2.0Hz，生長時間為15~60分鐘，即形成具有非晶結構的p型導電透明Cu,-xNixO (x =0.01 0.15)薄膜。本發(fā)明較佳的制備條件如下基板溫度為室溫28-35 'C。工作氣體設定為02，氣壓維持在2.8 ~ 3.2 Pa。PPD沉積鍍膜時，工作電壓為-16~-17kV，工作電流為3.5~4.5mA，脈沖電子束重 復頻率為2.0 Hz，生長時間為40 ~ 60分鐘。本發(fā)明方法制得的p型導電透明氧化物薄膜厚度為30-200nm，可根據(jù)需要，通過控 制沉積時間來控制膜厚。實驗結果表明，本發(fā)明制備的CUl.xNixO (x = 0.01 0.15)薄膜具有高電導率、可見光 范圍高透射率的光電特性，其最高電導率達到7.1 S《m—'，，可見光區(qū)域的平均透射率高于 65%。而且本發(fā)明所采用的PPD技術設備價格相對低廉，操作簡單，是一種制備高質量p 型透明導電氧化物薄膜的新方法。本發(fā)明方法獲得的p型薄膜在透明電子學和新型光電器 件領域具有良好的應用前景。
圖1 Cuo.95Ni,0薄膜的X射線衍射圖。圖2 CU().95Nia()50薄膜的電導率隨氧分壓變化的關系曲線。圖3各種氧分壓下制備的Cua95Nio.o50薄膜在250 - 1000 nm波長范圍內的透射率曲線。
具體實施方式
下面通過具體實施例進一步描述本發(fā)明實施例1，按傳統(tǒng)的陶瓷靶制備方法制備化學劑量比一定的CUa95Nia()50圓形靶，靶直 徑為23.4mrn?；瞧胀ㄝd玻片，并先后經(jīng)過i離子水、丙酮和酒精超聲波清洗各20分 鐘。靶表面和石英導管間距固定為4mm，石英導管內徑為2mm。薄膜沉積前真空室本底壓強為2.0X 10—4 Pa,基板溫度為30°C，設定02為工作氣壓， 用Bronkhorst公司的質量流量計控制其流量，使工作氣壓為3.0Pa，通過Eliwell EWTQ 915 熱電偶測量基板溫度，HCL 140-20000型高壓直流功率輸出源設定工作電壓和電流分別為 -18.0 KV和4.5 mA，脈沖電子束頻率是2.0 Hz，薄膜制備在普通玻璃片上。薄膜沉積時間 為20分鐘，薄膜厚度為80nm，電導率為7.1 S'cm"，可見光區(qū)域的平均透射率高于65%。實施例2，與實施例1同樣的方法制備CUQ.95NiQ.()50陶瓷靶，在下述條件下制備 Cuo.95Niao50薄膜薄膜沉積前真空室本底壓強為2.0X10—"Pa，基板溫度為30°C，設定工 作氣壓02為3.0 Pa，工作電壓和電流分別為-17.0 KV和4.5 mA，脈沖電子束頻率是2.0 Hz。 薄膜沉積時間為20分鐘，薄膜厚度為80nm，電導率為5.9 S《m—1，可見光區(qū)域的平均透 射率高于65%。采用Kosaka ET3000型表面輪廓儀測量薄膜厚度，使用BD-90型四探針儀測量薄膜方 塊電阻和靶材電阻率，采用島津UV2450型紫外/可見分光光度計測量薄膜透射譜。室溫下 利用Seebeck效應測試儀定性測量靶材和薄膜的導電性能。在Rigaku D/max-rB型X射線 衍射儀(XRD)上采用Cu Kal為光源在20 ° 80 °內掃描得到靶材和薄膜XRD譜。權利要求
1. 一種P型導電透明摻鎳氧化銅薄膜，其特征在于該摻鎳氧化銅薄膜材料為Cu1-xNixO，x＝0.01～0.15，由脈沖等離子體沉積技術制備獲得，其中薄膜厚度為30-200nm，最高電導率達到7.1S·cm-1，可見光區(qū)域的平均透射率高于65％。
2. —種P型導電透明氧化物薄膜的制備方法，其特征是采用脈沖等離子體沉積鍍膜技 術，具體步驟如下以摻鎳氧化銅CUl.xNixO， x = 0.01 0.15的陶瓷靶為燒蝕靶材，玻璃 為基板，在基板溫度為室溫的條件下，用脈沖電子束轟擊靶材，使靶材被燒蝕出來并利用 剩余的動能運動到基板表面沉積而形成薄膜，工作氣體設定為02，氣壓維持在2.6 ~ 3.4 Pa， 高壓直流功率輸出源設定工作電壓為-15.5~-18kV，工作電流為2.7~5.1 mA，脈沖電子 束重復頻率為2.0Hz，生長時間為15 60分鐘，即形成所需具有非晶結構的P型導電透 明摻鎳氧化銅薄膜。
3. 根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征是基板溫度為28-3(TC。
4. 根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征是工作氣體設定為02，氣壓維持在2.8 3.2Pa。
5. 根據(jù)權利要求2所述的制備方法，其特征是工作電壓-16 ~ -17kV，工作電流3.5 ~ 4.5 mA，脈沖電子束重復頻率2.0Hz，生長時間為40-60分鐘。
全文摘要
本發(fā)明屬于透明導電氧化物薄膜技術領域，具體為一種P型導電透明摻鎳氧化銅薄膜及其制備方法。本發(fā)明以普通玻璃為基板，利用摻鎳氧化銅(Cu<sub>1-x</sub>Ni<sub>x</sub>O)陶瓷靶，在基板溫度為室溫的條件下通過脈沖等離子體沉積技術(Pulsed Plasma Deposition，PPD)，在適當?shù)难鯕鈮?、脈沖電流和脈沖電壓的條件下制備獲得具有非晶結構的P型導電透明Cu<sub>1-x</sub>Ni<sub>x</sub>O薄膜。所制備的薄膜具有高電導率、可見光范圍內高透射率等優(yōu)良的光電特性。本發(fā)明方法獲得的P型導電透明氧化物薄膜在透明電子學和新型光電器件領域具有較好的應用前景。
文檔編號H01L31/0224GK101262016SQ200810036559
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月24日 優(yōu)先權日2008年4月24日
發(fā)明者群 張, 展 施, 銘 楊, 王穎華 申請人:復旦大學