[发明专利]一种三明治式透明导电薄膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种导电薄膜及制备方法，特别是涉及一种三明治式透明导电薄膜及制备方法。

背景技术

透明导电氧化物（Transparent conducting oxides，TCOs）材料具有良好的电学和光学性能，广泛用于平板显示、太阳能电池及电磁屏蔽材料等光电子领域。铟锡氧（ITO）是当前广泛商用的TCOs材料，但是，由于铟元素是地球上的稀缺资源，导致ITO使用成本高昂，因此寻找其替代品迫在眉睫。金属离子掺杂的氧化锌薄膜被认为具有较高的电导率，同时在可见光区也有良好的光学透过率；此外，氧化锌材料容易大量的获取，无毒且成本低廉，还具有很好的耐辐射性能，所以，金属离子掺杂氧化锌用作TCOs材料具有光明的前景。

电介质-金属-电介质三明治结构的薄膜一直是研究的热点以期望在不大幅度降低光学透过率的前提下增加薄膜的电导率。因此，在三明治结构薄膜中，不透明的金属膜层的厚度是很小的，一般几个纳米，这也类似于金属离子的掺杂，但工艺上更容易控制。通过不同薄膜欧姆接触产生的功函数差来增加整个薄膜的载流子浓度，进而提高薄膜的电导率，但电阻率还是较高。

银作为三明治结构的金属层已经有一些研究，台湾成功大学的Huang小组研究发现，磁控溅射制备的ZnO/Ag/ZnO结构薄膜，当两层ZnO厚度同为100nm，Ag膜厚度为4nm时，薄膜的光学透过率为70%；当Ag膜厚度增加到6nm时，光学透过率为80%，但电阻率也是较高的。

现有技术提出ZnO/Ag这种非对称结构具有很好的光学与电学性质，但是这种结构有一个缺陷，金属离子较易扩散到器件的其他部分，长时间下去会降低器件的性能。

发明内容

本发明的目的针对当前ITO薄膜使用成本较高、电阻率高的不足，设计、提供一种三明治结构的氧化锌/铜/氧化锌透明导电薄膜的制备方法，即运用原子层沉积或磁控溅射方法制备高质量的氧化锌薄膜作为底层薄膜和上层薄膜，运用磁控溅射方法制备铜薄膜作为中间层。这种三明治式透明导电薄膜，具有优异的电导性能和良好的光学透过率，技术参数达到可商业化应用的水平。

三明治结构大大降低金属离子扩散到其它部分的可能性，提高器件稳定性能。与已知文献对比，本专利设计的ZnO/Cu/ZnO的三明治结构用作透明导电薄膜具有独特优势，光学透过率几乎没有降低甚是提高了，而电学性能得到大幅度提升；另外，铜价格比和银更低，在综合性能提高的前提下，也能降低薄膜的使用成本，具有潜在的应用价值。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤：

本发明提供一种三明治式结构的透明导电薄膜，其特征在于，所述透明导电薄膜的模系氧化锌/铜/氧化锌。

所述氧化锌薄膜的厚度为20-400nm。

所述铜膜的厚度为2-8nm。

本发明提供一种三明治式结构的透明导电薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、原子层沉积方法制备底层氧化锌薄膜：用真空泵将反应腔抽到20hPa以下的低真空并加热到反应温度，用纯度为5N的高纯氮清洗反应腔，将清洗好的衬底放入反应腔，待达到反应温度，前驱体二乙基锌随高纯氮气以脉冲形式通入反应室，通过化学吸附到衬底上，再通入高纯氮气脉冲清洗衬底上以物理方式吸附的、反应腔中过量的锌前驱体，通入水蒸汽脉冲，与之前化学吸附的二乙基锌发生表面化学反应，用高纯氮气脉冲清洗掉多余的水蒸汽，上述过程完成一个循环的氧化锌薄膜的沉积；根据原子层沉积的循环数量能精确控制氧化锌薄膜的厚度；

或采用磁控溅射方法制备底层氧化锌薄膜：在5×10-4 Pa以上的高背地真空度下，以氧化锌靶射频溅射氧化锌薄膜。

步骤2、磁控溅射方法制备中间层铜薄膜：将步骤1沉积有氧化锌薄膜衬底放入溅射反应腔，抽到5×10-4 Pa以上的真空度，以铜（纯度为99.99%）作为靶材直流溅射铜薄膜。 

步骤3、原子层沉积方法或磁控溅射方法制备上层氧化锌薄膜。

所述氧化锌薄膜采用原子层沉积方法制备，氧化锌的反应温度为100～300℃，所用前躯体为二乙基锌和水，二乙基锌脉冲时间为0.1-0.3秒，清洗二乙基锌的脉冲时间至少3秒，水蒸气脉冲时间为0.2-0.4秒，清洗水蒸汽的脉冲时间至少4秒。

所述磁控射频溅射制备氧化锌薄膜，溅射气压为0.5-0.7Pa，射频溅射功率为50-80W；所述磁控直流溅射制备铜膜，溅射气压为0.6-0.8Pa，溅射功率为70-90W。