专利名称：氧化锌掺钇(ZnO:Y)透明导电薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于电子材^l"技术领域，具体地说是一种氧化锌掺钇(ZnO:Y)透明 导电薄膜及其制备方法。
背景技术：
透明导电薄膜作为一种既对可见光透明，又具有良好电导率的材料，在显 示器件、太阳能电池、抗静电涂层、电磁屏蔽以及隔热节能玻璃等方面具有广 泛的应用。目前，掺锡的氧化铟薄膜(In203:Sn，简称IT0)是应用最为广泛的 透明导电薄膜，但是ITO也存在许多缺点作为OLED的透明电极，ITO和空穴 注入层的界面存在高能势垒，从而降低器件的发光效率，参见J. S. Kim等人 的"单层和双层聚合物发光二极管中ITO的处理阳极材料的物理、化学和形 貌性质与器件性能的关系"《应用物理》84 (1998) 6859 (J. S. Kim， et al. Indi咖-tin oxide treatments for single- and double—layer polymeric light-emitting diodes: The relation between the anode physical, chemical: and morphological properties and the device performance, J. Appl. Phys. 84 (1998) 6859);铟原子容易向有机层扩散导致器件寿命降低，参见E. Gautier 等人的"聚合物/金属发光二极管中ITO电极的界面效应"《应用物理快报》69 (1996) 1071 (E. Gautier， A. Lorin， et aL Electrode interface effects on indium-tin-oxide polymer/metal light emitting diodes, Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 1071);铟元素在自然界的含量较少，这些缺点限制了 ITO的 应用。近年来，ZnO及其掺杂体系被广泛研究，有希望成为ITO的替代材料。目 前掺A1、 Ga、 In、 Zr、 B和Mo等元素的ZnO薄膜已经用各种技术制备出来。
中国占世界稀土资源的41.36%,是一个名符其实的稀土资源大国，稀土资源极为丰富。如果能用稀土掺杂氧化锌薄膜替代ITO薄膜，将会极大地降低透 明导电薄膜的制备成本。引人注目的是，掺Sc的氧化锌薄膜具有非常优异的电 学和光学性能，参见Tadatsugu Minami等人的"磁控溅射法制备的高透过率和 高电导率的稀土掺杂氧化锌薄膜"《固体薄膜》366 (2000) 63 (T. Minami et al. Highly transparent and conductive rare earth-doped ZnO thin films prepared by magnetron sputtering Thin Solid Films 366 (2000) 63)。但 是作为Sc源的ScA非常昂贵，考虑到钇(Y)与钪(Sc)属同一族元素,而且钇价格 低廉，因此我们通过在氧化锌中掺入适量的Y203制成氧化锌钇(ZnO:Y)靶材，然 后制备出了高品质的ZnO:Y透明导电薄膜。
发明内容
本发明提出一种新型质量较好的氧化锌掺钇(ZnO:Y)透明导电薄膜及其制 备方法。
本发明可以通过如下措施达到
一种氧化锌掺钇(Zn0:Y)透明导电薄膜，其特征在于以ZnO为主体材料， 掺入钇(Y)元素组成，钇(Y)元素是以氧化钇(Y203)的形式掺入的，氧化钇 (YA)的掺入量为总重量的2-5%，制备的ZnO:Y薄膜经过X射线衍射测试没有 新的化合物形成，因此钇能够替代锌形成替位式掺杂的透明导电薄膜，这种薄 膜具有良好的导电性，在可见光区具有很好的透过率。
一种氧化锌掺钇(Zn0:Y)透明导电薄膜的制备方法，其特征在于利用射频 磁控溅射法制备，其步骤如下
(1) 用纯度均为99.99y。的Zn0和Y203粉末成坯、烧结制成了 ZnO:Y靶材， 氧化钇(Y203)的掺入量为总重量的2-5%。
(2) 将步骤(1)的靶材和清洗过的基片放入射频磁控溅射仪，溅射制备 ZnO:Y透明导电薄膜，溅射仪本底真空为1.0X10—4Pa，溅射气体为氩气，氩气 的气压0. 6-3. 0Pa，溅射功率为40-120W，溅射时间为3分56秒-30分46秒，膜厚为200-800nm。
本发明步骤(2)中基片是普通玻璃，对基片依次用超声波和丙酮清洗。 本发明步骤(2)中溅射气体氩气的纯度为99.99%。
本发明制备的ZnO:Y薄膜具有良好的光电性能，当氧化钇的掺入量为总重 量的3%时，制备的薄膜电阻率达到8. 7X 10—4Q cm，在可见光区透过率达到93%; 本发明具有生产成本低、质量好、无毒、无污染、溅射设备简单等优点，特别 适用于大面积成膜。
图1是本发明实施例1中溅射制得的透明导电薄膜的XRD图像。 图2是本发明实施例2中溅射制得的透明导电薄膜的XRD图像。 图3是本发明实施例3中溅射制得的透明导电薄膜的XRD图像。 图4是本发明实施例4中溅射制得的透明导电薄膜的XRD图像。
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明
实施例l:
(1) 用纯度均为99.9996的Zn0和Y203粉末成坯、烧结制成了 ZnO:Y靶材， ZnO和103粉末的重量比为97:3。
(2) 选用普通玻璃作为基片，对基片依次用超声波和丙酮清洗，将步骤(l) 的靶材和清洗过的基片送入射频磁控溅射仪制成透明导电薄膜，溅射仪本底真 空为1.0X10—卞a，溅射气体为纯度为99.99%的氩气，调节溅射气压为2. 0Pa， 溅射功率为IOOW，溅射时间为3分56秒，透明导电薄膜厚为200 nm，方阻为 60Q，透明导电薄膜的电阻率为1.2X10—3Q cm。
所制备的ZnO:Y透明导电薄膜的XRD图像如图1所示，由图中可以看到， 透明导电薄膜具有明显的ZnO (002)峰，说明透明导电薄膜已经形成很好的ZnO六角结构，生长方向沿C轴垂直于基片。 实施例2:
如实施例1所述，所不同的是步骤(2)中溅射时间为7分52秒，厚度为 400 nm，方阻为27Q，透明导电薄膜的电阻率为1.08X1(T3 Q cm，所制备的 ZnO:Y透明导电薄膜的XRD图像如图2所示，与图1相比，ZnO (002)峰的强度 增强，说明随着透明导电薄膜的厚度增加，透明导电薄膜的晶粒变大，晶化增 强。
实施例3:
如实施例l所述，所不同的是步骤(2)中溅射时间为11分47秒，透明导 电薄膜厚为600 nm，方阻为14. 8 Q 。透明导电薄膜的电阻率为8. 9X10—4 Q cm, 所制备的ZnO:Y透明导电薄膜的XRD图像如图3所示，与图1相比，ZnO (002) 峰的强度明显增强，说明随着厚度增加，透明导电薄膜的晶化程度提高，透明 导电薄膜的电阻率减小。
实施例4:
如实施例1所述，所不同的是步骤(2)中溅射功率为50 W，溅射时间为 30分46秒，透明导电薄膜厚为600 nm，方阻为14.5Q。透明导电薄膜的电阻 率为8. 7X10—4 Q cm，所制备的ZnO:Y透明导电薄膜的XRD图像如图4所示， 与图3相比，ZnO (002)峰的强度明显增强，说明随着溅射功率减小，透明导 电薄膜的晶化程度增强。
权利要求
1、一种氧化锌掺钇(ZnO:Y)透明导电薄膜，其特征在于以ZnO为主体材料，掺入钇(Y)元素组成。
2、 权利要求1所述的一种氧化锌掺钇(ZnO:Y)透明导电薄膜，其特征在 于钇(Y)元素是以氧化钇(Y203)的形式掺入的，氧化钇(Y203)量为总重量的 2-5%。
3、 一种氧化锌掺钇(ZnO:Y)透明导电薄膜的制备方法，其特征在于采用 射频磁控溅射法。
4、 根据权利要求3所述的一种氧化锌掺钇(ZnO:Y)透明导电薄膜的制备 方法，其特征在于具体操作步骤如下(1) 用纯度均为99. 99%的Zn0和YA粉末成坯、烧结制成Zn0:Y靶材，氧 化钇(Y203)的掺入量为总重量的2-5%。(2) 将步骤(1)的靶材和清洗过的基片放入射频磁控溅射仪，溅射制备 ZnO:Y透明导电薄膜，溅射仪本底真空为1.0X10—4Pa，溅射气体为氩气，氩气 的气压0. 6-3. 0Pa，溅射功率为40-120W,溅射时间为3分56秒-30分46秒， 膜厚为200-800nm。
5、 根据权利要求4所述的一种氧化锌掺钇(ZnO:Y)透明导电薄膜的制备 方法，，其特征在于基片是普通玻璃，对基片依次用超声波和丙酮清洗。
6、 根据权利要求4所述的一种氧化锌掺钇(ZnO:Y)透明导电薄膜的制备 方法，，其特征在于溅射气体氩气，氩气的纯度为99.99%。
全文摘要
本发明属于电子材料技术领域，具体地说是一种氧化锌掺钇(ZnO:Y)透明导电薄膜及其制备方法，其特征在于以ZnO为主体材料，掺入钇(Y)元素组成，氧化钇(Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)的掺入量为总重量的2-5％，制备方法为(1)用纯度均为99.99％的ZnO和Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>粉末成坯、烧结制成ZnO:Y靶材，(2)将步骤(1)的靶材和清洗过的基片放入射频磁控溅射仪，溅射制备ZnO:Y透明导电薄膜，溅射仪本底真空为1.0×10<sup>-4</sup>Pa，溅射气体为氩气，氩气的气压0.6-3.0Pa，溅射功率为40-120W，溅射时间为3分56秒-30分46秒，膜厚为200-800nm，本发明制备的产品具有良好的光电性能，电阻率达到8.7×10<sup>-4</sup>Ωcm，在可见光区透过率达到93％；本发明具有生产成本低、质量好、无毒、无污染、溅射设备简单等优点，本发明特别适用于大面积成膜。
文档编号C23C14/06GK101552048SQ200910015219
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月14日 优先权日2009年5月14日
发明者刘清田, 姜丽莉, 孔伟毕, 宋淑梅, 李延辉, 杨田林, 辛艳青, 韩圣诰 申请人:山东大学威海分校