專利名稱：P型透明導(dǎo)電氧化物CuAlO₂薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料制備領(lǐng)域，具體地說是涉及一種P型透明導(dǎo)電氧化物 CuA102薄膜材料的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)、尤其是透明導(dǎo)電氧化物(Transparent conductive oxide-TCO)薄膜技術(shù)的快速發(fā)展，透明電子器件在不久的未來必將更為廣 泛地應(yīng)用于太陽能電池、平面顯示、特殊功能窗口涂層及其它光電器件領(lǐng) 域。在眾多的透明導(dǎo)電氧化物TCO薄膜材料中，ln203 : Sn (ITO)薄膜材 料是最為重要的TCO薄膜材料之一，并一直作為平板顯示器中TCO薄膜 的首選材料，但其金屬In是一種稀有元素，成本較高。近年來人們不斷的 尋找能夠替代平板顯示器中ITO薄膜的材料，也研究出了大量多元TCO 薄膜材料，但是這些薄膜材料的應(yīng)用僅局限于透明電極或紅外反射涂層膜 等領(lǐng)域。究其原因這些TCO薄膜材料基本上都屬n型導(dǎo)電材料，而屬p 型導(dǎo)電材料的TCO薄膜非常少，且其導(dǎo)電性與n型的相比相差3-4個(gè)數(shù)量 級,無法實(shí)現(xiàn)具有良好性能的全透明p-n結(jié)。由于缺少性能優(yōu)良的p型TCO 薄膜材料，因而大大限制了這些材料的實(shí)際應(yīng)用。
CuA102作為最早被開發(fā)出來的銅鐵礦類p型TCO薄膜，因其原材料 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)， 一直受到人們的青睞。目前現(xiàn)有的p型CuA102薄膜材 料制備主要采用激光脈沖沉積(PLD)方法，該方法由于制備薄膜的成本太 高，均勻成膜的面積比較小，極大地阻礙了 P型CuAKV薄膜在工業(yè)上的 應(yīng)用與推廣。
釆用磁控濺射方法制備薄膜的優(yōu)點(diǎn)除成本較低外還有薄膜與襯底之間 的附著性好、結(jié)構(gòu)致密、針孔少、表面平整，并且可大面沉積薄膜。但采 用該方法制備CuA102薄膜存在的問題是CuA102薄膜的晶化溫度比較高， 通常在1100°C左右，而如此高的溫度對于普通濺射儀器設(shè)備來說很難達(dá)到， 所以如何利用磁控濺射技術(shù)制備出高質(zhì)量的p型TCO CuA102薄膜具有重大的應(yīng)用價(jià)值。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的p型CuA102薄膜沉積面積 小，生產(chǎn)成本高，不具有大規(guī)模生產(chǎn)能力的問題，提供一種沉積面積大， 生產(chǎn)成本低，且適于工業(yè)化生產(chǎn)的P型透明導(dǎo)電氧化物CuA102薄膜的制 備方法。本發(fā)明所提供的一種P型透明導(dǎo)電氧化物CuAlCb薄膜的制備方法， 包括以下步驟(1) 將化學(xué)綿的Cu20粉和分析純的Al(OH)3粉混合，經(jīng)500 55(TC預(yù)燒 l~1.5h，在1050 115(TC保溫8 12h，生成純相的CuA102粉末，將CuA102 粉末壓制成型后，經(jīng)1050 115(TC燒結(jié)4 10h，制成CuAK)2陶瓷靶材；(2) 采用步驟(l)制成的CuA102陶瓷靶材，利用磁控濺射方法，以Si(100) 單晶或石英為襯底，襯底溫度300 60CTC，以高純氬氣與氧氣組成的混合 氣體為工作氣體，工作氣壓0.8~1.0Pa，氧分壓10~40%，濺射功率 100~200W，薄膜沉積后，于900 110(TC經(jīng)氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，在管式爐內(nèi)退 火2 5h，制成P型CuA102薄膜。其厚度為100~500nm。上述襯底溫度優(yōu)選500°C ，氧分壓優(yōu)選20%,退火溫度優(yōu)選90(TC。 采用磁控濺射方法制備出具有(001)取向的P型CuA102薄膜，大大降低了制備成本，可以較大面積沉積均勻薄膜，而且無需在真空沉積腔內(nèi)高溫退火。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Si(100)或石英襯底上制備P型CuAlO2薄膜，經(jīng)后 期退火后薄膜表現(xiàn)出良好的(001)取向。本發(fā)明制備的CuA102薄膜，Hall系數(shù)約為+183.6cm3(^，證明了 CuA102薄膜為p型半導(dǎo)體，其載流子濃度和遷移率分別為3.40x101 6cm'3 和4.07cmVVs，室溫電導(dǎo)率為0.027Scm"，在50(K800nm波長范圍內(nèi)薄膜 的透過率大約在60~70%，接近工業(yè)化生產(chǎn)要求。


圖1為實(shí)施例1制備的CuA102陶瓷的XRD譜；圖2為實(shí)施例1-4制備的CuA102薄膜的XRD譜；圖3為實(shí)施例5-8制備的CuA102薄膜的XRD譜；圖4為實(shí)施例9制備的CuA102薄膜XRD譜；圖5為實(shí)施例9制備的CuA102薄膜的電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線；圖6為實(shí)施例9制備的CuA102薄膜典型的紫外可見光透過率譜(膜 厚300nm，以空氣作為參比)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1(1) 以化學(xué)純的CU20粉和分析純的A1(0H)3粉末為原料，使用高溫固相反 應(yīng)法在500'C預(yù)燒lh，然后在IIO(TC煅燒10h，充分反應(yīng)生成純相銅鐵礦 結(jié)構(gòu)CuA102粉末，對CuA102粉末球磨摻膠壓片，除膠后在IIO(TC燒結(jié) 4h，制成CuA102陶瓷耙材。其XRD譜(見圖1)完全符合CuA102 PDF 35-1401衍射標(biāo)準(zhǔn)譜。(2) 利用磁控濺射方法，在Si(100)襯底上沉積CuA102薄膜，襯底溫度 300°C，工作氣壓為0.8Pa，氧分壓為20%，濺射功率100W，經(jīng)氮?dú)鈿夥?保護(hù)，在90(TC的溫度下退火2h后，得到P型CuA102薄膜，其XRD譜見 圖2。實(shí)施例2襯底溫度400"C，工作氣壓為0.9Pa，其它制備條件同實(shí)施例l，所得 薄膜的XRD譜見圖2。 實(shí)施例3襯底溫度50(TC，工作氣壓為1.0Pa，在110(TC的溫度下退火4h，其 它制備條件同實(shí)施例1 ，所得薄膜的XRD譜見圖2。 實(shí)施例4襯底溫度60(TC,工作氣壓為l.OPa，在1100。C的溫度下退火4h，其
它制備條件同實(shí)施例1 ，所得薄膜的XRD譜見圖2。
實(shí)施例5
(1) 以化學(xué)純的Cii20粉和分析純的Al(OH)3粉末為原料，使用高溫固相反 應(yīng)法在500。C預(yù)燒1.5h，然后在105(TC煅燒8h，充分反應(yīng)生成純相銅鐵礦 結(jié)構(gòu)CuA102粉末，將CuA102粉末球磨摻膠壓片，除膠后在IIOO'C燒結(jié) 10h，制成CuA102陶瓷耙材。其XRD譜(見圖l)完全符合CuA102 PDF 35-1401衍射標(biāo)準(zhǔn)譜。(2) 利用磁控濺射方法，在石英襯底上沉積CuA102薄膜，氧分壓為10%, 襯底溫度50(TC，工作氣壓為0.8Pa，濺射功率100W，經(jīng)氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)在 900'C的溫度下退火4h后，得到P型CuA102薄膜，其XRD譜見圖3。
實(shí)施例6
氧分壓為20%，濺射功率150W，其它制備條件同實(shí)施例5，所得薄膜 的XRD譜見圖3。
實(shí)施例7氧分壓為30%，工作氣壓為1.0Pa，濺射功率200W，退火時(shí)間5h，其 它制備條件同實(shí)施例5，所得薄膜的XRD譜見圖3。
實(shí)施例8
氧分壓為40%，工作氣壓為1.0Pa，濺射功率200W，退火時(shí)間5h，其 它制備條件同實(shí)施例5，所得薄膜的XRD譜見圖3。
實(shí)施例9
氧分壓為20%，工作氣壓為l.OPa，退火時(shí)間5h，其它制備條件同實(shí) 施例5，所得薄膜的XRD譜見圖4。對實(shí)施例9制備出的P型CuA102薄膜進(jìn)行了性能測試，其結(jié)果如下 薄膜的厚度約為300nm， Hall系數(shù)+183.6cmSC1，證明了 CuA102薄膜為p 型半導(dǎo)體，其載流子濃度和遷移率分別為3.40xlO"cnT3和4.07cn^/Vs，室 溫電導(dǎo)率為0.027Scm"，在500~800nm波長范圍內(nèi)薄膜的透過率大約在 60~70%。其XRD如圖4所示。溫度在310 145K范圍內(nèi)變化，所得p型CuA102薄膜電導(dǎo)率隨溫度的變化特征，表現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體特性，其圖如 圖5所示。如圖6所示，制備的p型CuA102薄膜的紫外可見光透過率譜 圖，在500 800nm波長范圍內(nèi)薄膜的透過率大約在60 70%,接近工業(yè)化生產(chǎn)要求。
權(quán)利要求
1、一種P型透明導(dǎo)電氧化物CuAlO2薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)將化學(xué)純的Cu2O粉和分析純的Al(OH)3粉混合，經(jīng)500～550℃預(yù)燒1～1.5h，在1050～1150℃保溫8～12h，生成純相的CuAlO2粉末，將CuAlO2粉末壓制成型后，經(jīng)1050～1150℃燒結(jié)4～10h，制成CuAlO2陶瓷靶材；(2)采用步驟(1)制成的CuAlO2陶瓷靶材，利用磁控濺射方法，以Si(100)單晶或石英為襯底，襯底溫度300～600℃，以高純氬氣與氧氣組成的混合氣體為工作氣體，工作氣壓0.8～1.0Pa，氧分壓10～40％，濺射功率100～200W，薄膜沉積后，于900～1100℃經(jīng)氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，在管式爐內(nèi)退火2～5h，制成P型CuAlO2薄膜。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于襯底溫度為50(TC。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于氧分壓為20%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于退火溫度為90(TC。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一的方法，其特征在于制成的P型CuA102薄膜的厚 度為100 500nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種P型透明導(dǎo)電氧化物CuAlO₂薄膜的制備方法。該方法的步驟為將化學(xué)純的Cu₂O粉和分析純的Al(OH)₃粉經(jīng)500～550℃預(yù)燒1～1.5h，在1050～1150℃保溫8～12h，生成純相的CuAlO₂粉末，將CuAlO₂粉末壓制成型后，經(jīng)1050～1150℃燒結(jié)4～10h，制成CuAlO₂陶瓷靶材；采用上述制成的CuAlO₂陶瓷靶材，利用磁控濺射方法，以Si(100)單晶或石英為襯底，襯底溫度300～600℃，以高純氬氣與氧氣組成的混合氣體為工作氣體，工作氣壓0.8～1.0Pa，氧分壓10～40％，濺射功率100～200W，薄膜沉積后，于900～1100℃經(jīng)氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)，在管式爐內(nèi)退火2～5h，制成P型CuAlO₂薄膜。其厚度為100～500nm。本發(fā)明方法薄膜沉積面積大，生產(chǎn)成本低，且適于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C30B25/06GK101158049SQ200710119718
公開日2008年4月9日 申請日期2007年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月31日
發(fā)明者輝 嚴(yán), 偉 蘭, 銘 張, 董國波, 董培明 申請人:北京工業(yè)大學(xué)