專利名稱：一種制備高遷移率Mo摻雜In₂O₃透明導(dǎo)電薄膜的方法
一種制備高遷移率MO摻雜111203透明導(dǎo)電薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于透明導(dǎo)電氧化物薄膜技術(shù)領(lǐng)域，特別是適合薄膜太陽電池 應(yīng)用的透明導(dǎo)電薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
氫化非晶硅(a-Si:H)的光學(xué)帶寬為1.7 eV左右，其吸收系數(shù)在短波 方向較高，而氫化微晶硅(nc-Si:H)的光學(xué)帶寬約為1.1 eV，其吸收系數(shù)在長波方向較高， 并能吸收到近紅外長波區(qū)域，吸收波長可擴(kuò)展至1100nm，這就使太陽光譜能得到更好利 用。圖1給出了 a-Si:H、 pc-Si:H材料的光學(xué)波長和吸收強(qiáng)度以及吸收系數(shù)之間的關(guān)系(圖 la是光子能量和吸收強(qiáng)度的關(guān)系圖，圖lb是吸收系數(shù)和光子波長的關(guān)系圖)。此外，相比 于非晶硅薄膜材料，微晶硅薄膜材料結(jié)構(gòu)有序性程度高，因此，微晶硅薄膜電池具有很好 的器件穩(wěn)定性，無明顯衰退現(xiàn)象。由此可見，微晶硅薄膜太陽電池可較好地利用太陽光譜 的近紅外光區(qū)域，而新型a-Si:H/nc-Si:H疊層薄膜太陽電池將擴(kuò)展太陽光譜應(yīng)用范圍，整 體提高電池穩(wěn)定性和效率[1—2。
根據(jù)Drude理論，近紅外區(qū)的光學(xué)特性和材料的載流子濃度密切相關(guān)，其等離子體頻 率和自由載流子濃度的平方根成比例[3
其中，c^一等離子體頻率， 一電子濃度，e—基本電荷，附*一有效電子質(zhì)量。若載流
子濃度較高則增強(qiáng)了對近紅外光的吸收。因此，基于pc-Si:H和a-Si:H^c-Si:H疊層薄膜電 池應(yīng)用，希望p-i-n型電池結(jié)構(gòu)中的前電極TCO在可見光范圍和近紅外區(qū)域高透過率并維 持高電導(dǎo)率，有效的途徑是制備出較低載流子濃度而較高遷移率的TCO薄膜。利用高價(jià) 態(tài)差(Mo6+和In3+的價(jià)態(tài)差為3)摻雜的In203:Mo (Mo摻雜Iri203,艮卩IMO)薄膜適應(yīng)了 此方面的應(yīng)用發(fā)展。
目前生長MO薄膜的方法很多，包括射頻/直流濺射(RF/DC Sputtering),電子束反 應(yīng)蒸發(fā)(EBRE),脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)等。2001年，復(fù)旦大學(xué)的孟揚(yáng)同等報(bào)道了 新型高遷移率TCO薄膜-IMO(即Mo摻雜ln203，In203:Mo)，其特點(diǎn)是利用高價(jià)態(tài)差(Mo" 和1113+的價(jià)態(tài)差為3)摻雜實(shí)現(xiàn)低摻雜提供足夠自由載流子，有效降低電離雜質(zhì)散射，提 高電子遷移率。典型IMO電子遷移率80-130cn^/Vs，電阻率 L8-3xl(T^cm，可見光平均 透過率優(yōu)于和近紅外區(qū)(入-800-1400nm)平均透過率均 80%以上，其中薄膜厚度 ~250-400nm。 E. Elangovan等m利用射頻濺射技術(shù)研究了功率和薄膜厚度等對 In203:Mo^IMO薄膜結(jié)構(gòu)和光電性能的影響，IMO薄膜的最低電阻率為2.65xlO'3Qcm， 而最高遷移率是在非晶化的薄膜獲得的，數(shù)值 19.5cm"Vs。 C.Warmsingh等^利用脈沖激 光沉積技術(shù)在玻璃襯底和單晶100YSZ (yttria-stabilizedzirconia)襯底上生長了 In203:Mo， 即IMO薄膜，實(shí)驗(yàn)表明，2wt.y。Mo摻雜靶制備的薄膜具有最好的薄膜特性，YSZ單.晶襯
3底上可獲得薄膜電子遷移率達(dá) 95 cm2/Vs，經(jīng)過歸一化處理得到IMO薄膜在可見光范圍內(nèi) 透過率大于90%。 C.C. Kuo等[9]利用離子束輔助沉積技術(shù)研究了氧分壓對In203:Mo薄膜 微觀結(jié)構(gòu)和光電性能的影響，F(xiàn)E-SEM測試表明IMO具有柱狀結(jié)構(gòu)，AFM測試數(shù)據(jù)顯示 其均方根粗糙度為2nm，氧流量增加會降低IMO薄膜的電阻率，當(dāng)在5sccm氧流量和離 子束電壓150V時獲得的IMO薄膜具有最佳性能，最低電阻率為1.59 xl(T3Qcm,電子遷 移率~16.31 cm2/Vs,載流子濃度 1.02xl(P/cm3。 Shi-Yao Sun等則利用高密度等離子體蒸 發(fā)技術(shù)制備摻鉬氧化銦(IMO)薄膜，使用的靶材為摻Mo03的In203氧化物靶，其中含 2wt.% Mo03;制備IMO薄膜時在Ar與02混合氣體中加入一定量的H2，加入&后薄膜
遷移率增加，薄膜電阻率明顯降低并且工藝窗口展寬，但是加入H2會使薄膜在可見光區(qū)
的透過率降低。復(fù)旦大學(xué)繆維娜(Wei-namiao)等""利用直流磁控濺射技術(shù)研究了氧分壓、 基板溫度以及濺射電流對IMO薄膜結(jié)構(gòu)和光性能的影響，獲得IMO薄膜的最低電阻率 為3.65 xlO^Qcm,載流子遷移率高達(dá)50 cm2/Vs，可見光區(qū)域的平均透射率(含玻璃基底) 高于80 %，其中IMO薄膜的載流子遷移率主要受晶界散射的影響。
在薄膜生長技術(shù)中，即要提高生長速率，降低薄膜生長時間，又能保證材料光電性能 是研究的重要課題。本發(fā)明利用電子束蒸發(fā)技術(shù)，借助梯度生長速率工藝，制備出高生長 速率且性能優(yōu)良的高遷移率，高電導(dǎo)和高透過率的IMO薄膜。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決高速沉積條件下薄膜性能相對較差的問題，提供一 種利用電子束蒸發(fā)技術(shù)，借助梯度生長速率制備高遷移率IMO透明導(dǎo)電薄膜的方法。
本發(fā)明提供的制備高遷移率、高電導(dǎo)率和可見光及近紅外區(qū)域高透過率的Mo摻雜 111203透明導(dǎo)電薄膜的方法，是利用電子束反應(yīng)蒸發(fā)技術(shù)，由以下步驟實(shí)現(xiàn)
第一、高純度陶瓷靶In203:Mo03(Mo03含量為0.5%-2%重量比摻雜的ln203，如0.5% 重量比摻雜)和02作為源材料，基片襯底溫度T=330-40(TC (如35(TC， 380°C); 02分壓 5.0-9.0xl(T2Pa， $tJ7.7xlO-2Pa;
第二、首先，利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在玻璃襯底上低速率R-0.1-0.2A/s GnR=0.lA/s) 生長一層緩沖層Mo摻雜In203薄膜，薄膜厚度30-40nm (如d-30nm);其次，在上述緩 沖層基礎(chǔ)上，再高速率R=0.4-1.0A/s (如R=0.4A/s)生長50-80nm (如d=50nm)厚度的 薄膜；生長薄膜結(jié)構(gòu)glass/低速率緩沖層IMO/高速率IMO薄膜。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果
本發(fā)明利用梯度生長速率的方法，在保證較高的生長速率條件下，利用低速緩沖層 技術(shù)，制備出和低速率條件下相同或更好的薄膜特性，并且極大地降低了薄膜生長時間。 在(0.1+0.4)A/s (梯度生長速率)條件下生長的IMO薄膜，薄膜方塊電阻為22.5Q,電阻 率為2.5xl(T^cm，載流子濃度為5力102()011-3,電子遷移率達(dá)47.1 cm 'V1,可見光和近 紅外光范圍平均透過率~80% (含2mm厚度玻璃襯底)。

圖1給出了 a-Si:H、iac-Si:H材料的光學(xué)波長和吸收強(qiáng)度以及吸收系數(shù)之間的關(guān)系(圖 la是光子能量和吸收強(qiáng)度的關(guān)系圖，圖lb是吸收系數(shù)和光子波長的關(guān)系圖)。
圖2是生長速率分別為O. 1 A/s， 0.4A/s和(0.l+0.4)A/s (梯度生長速率)條件下生長的IMO 薄膜表面形貌圖。(圖2a是生長速率為0.lA/s條件下生長的IMO薄膜表面形貌圖；圖2b是 生長速率為0.4A/s條件下生長的IMO薄膜表面形貌圖；圖2c是生長速率為(0.1+0.4)A/s(梯 度生長速率)條件下生長的IMO薄膜表面形貌圖。)
圖3是生長速率為0.4A/s， 0.lA/s和(0.1+0.4)A/s (梯度生長速率)條件下生長的IMO薄 膜的透過率曲線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:
本發(fā)明提出的生長IMO薄膜方法的具體制造過程如下
1、 電子束蒸發(fā)技術(shù)初始在低速率0.lA/s條件下生長IMO薄膜30nm，作為緩沖層；
2、 其次，在其他生長條件不變情況下，在上述緩沖基礎(chǔ)上高速率0.4A/s生長50nmlMO 薄膜，最終生長獲得的薄膜是80nm厚度的IMO薄膜，薄膜結(jié)構(gòu) glass/0.lA/s-30nm/0.4A/s-50nm;上述厚度是薄膜生長系統(tǒng)中石英晶體振蕩器測試的厚度， 實(shí)際測量的薄膜厚度為110nm。
典型的生長條件如下電子束蒸發(fā)技術(shù)生長IMO薄膜，玻璃基片面積為10cmxl0cm， 生長溫度設(shè)定為350。C，背景真空度3.0xl(^Pa,通入高純02氣時的工作氣壓7.7xl0,a, 利用高純度In203:Mo03靶材(Mo03: 0.5%重量比)，電子槍工作電壓6380V，電子束流 14-22mA (低速率O.lA/s采用~14 mA和高速率0.4A/s采用 22mA)。
薄膜性能見附圖2、附圖3以及表1?？梢钥闯?，薄膜結(jié)構(gòu)為 glass/0.1 A;s-IMO/0.4A/s-IMO的樣品中，薄膜晶粒尺寸較大，并且薄膜在可見光范圍的透 過率和低速率生長glass/0.lA/s-IMO薄膜的透過率相當(dāng)，而比高速率生長glass/0.4A/s-IMO 薄膜的透過率高。此外，同等薄膜厚度的情況下，梯度速率生長glass/0.lA/s-IMO薄膜的 方塊電阻最低，而電子遷移率最高，薄膜具有良好的電學(xué)性能。表1生長速率分別為0.lA/s， 0.4A/s和(0.1+0.4)A/s (梯度生長速率)條件下生長的IMO 薄膜的電學(xué)性能
p/Q咖n/cm-3ji/cmW1Rs/n
O.lA/s5.70xl0加46.323.62
0.4 A/s3.29xl(T44.60x10M45.229.93
(0.1+0.4) A/s2.51xl(T447.122.86
實(shí)施例2
薄膜具體制造過程-
1、 電子束蒸發(fā)技術(shù)初始在低速率0.lA/s條件下生長MO薄膜40nm，作為緩沖層；
2、 其次，在其他生長條件不變情況下，在上述緩沖基礎(chǔ)上高速率0.4A/s生長60nmlMO 薄膜，最終生長70nm厚度的IMO薄膜，薄膜結(jié)構(gòu)glass/0.lA/s-20nm/0.4A/s-60nm;上述 厚度是薄膜生長系統(tǒng)中石英晶體振蕩器測試的厚度，實(shí)際厚度120nm。
典型的生長條件如下電子束蒸發(fā)技術(shù)生長IMO薄膜，玻璃基片面積為10cmxlOcm， 生長溫度設(shè)定為350'C，背景真空度3.0xl0,a，通入高純02氣時的工作氣壓7.7xl(T2Pa， 利用高純度In203:Mo03靶材(Mo03: 0.5%重量比)，電子槍工作電壓6380V，電子束流 14-22mA (低速率O.lA/s采用~14 mA和高速率0.4A/s采用 22mA)。
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權(quán)利要求
1、一種制備高遷移率、高電導(dǎo)率和可見光及近紅外區(qū)域高透過率的Mo摻雜In2O3透明導(dǎo)電薄膜的方法，其特征是該方法利用電子束反應(yīng)蒸發(fā)技術(shù)，由以下步驟實(shí)現(xiàn)第一、高純度陶瓷靶In2O3:MoO3和O2作為源材料，基片襯底溫度T＝330-400℃；O2分壓5.0-9.0×10-2Pa；所述的高純度陶瓷靶In2O3:MoO3是MoO3含量為0.5％-2％重量比摻雜的In2O3；第二、首先，利用電子束蒸發(fā)技術(shù)在玻璃襯底上低速率 id="icf0001" file="A2009100689680002C1.tif" wi="24" he="4" top= "69" left = "132" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>生長一層緩沖層Mo摻雜In2O3薄膜，薄膜厚度30-40nm；其次，在上述緩沖層基礎(chǔ)上，再高速率 id="icf0002" file="A2009100689680002C2.tif" wi="24" he="4" top= "76" left = "163" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>生長50-80nm厚度的薄膜；生長薄膜結(jié)構(gòu)glass/低速率緩沖層IMO/高速率IMO薄膜。
全文摘要
一種利用電子束蒸發(fā)技術(shù)制備高遷移率Mo摻雜In₂O₃(即In₂O₃:Mo-IMO)透明導(dǎo)電薄膜的方法。此種技術(shù)生長IMO薄膜分兩個階段進(jìn)行。高純度陶瓷靶In₂O₃:MoO₃和O₂作為源材料，基片襯底溫度～330-400℃，O₂分壓～5.0-9.0×10^-2Pa。首先，利用此種技術(shù)低速率～0.1-0.2/s生長一層緩沖層(buffer layer)IMO薄膜，薄膜厚度30-40nm；其次，提高生長速度至～0.4-1.0/s，高速率生長IMO薄膜，薄膜厚度50-80nm。典型薄膜電阻率～2.5×10^-4Ωcm，方塊電阻～22.5Ω，載流子濃度～5.8×10²⁰Ωcm，電子遷移率～47.1cm²V^-1s^-1，可見光和近紅外區(qū)域平均透過率～80％。此種工藝技術(shù)獲得的IMO薄膜光電性能和直接利用低速率生長的薄膜特性相當(dāng)或更好，并且極大地降低了薄膜生長時間。
文檔編號H01L31/0224GK101560642SQ200910068968
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者張建軍, 耿新華, 穎 趙, 陳新亮 申請人:南開大學(xué)