[发明专利]增强光电性能Zr元素掺杂AZO靶材

说明书

技术领域

本发明涉及IPC分类中C23C溅射法金属材料的镀覆技术，应用于薄膜制备，继而应用于光电领域。

背景技术

近些年透明导电氧化物薄膜一直是光电领域的热点，其中ITO薄膜是目前研究和应用最广泛的透明导电氧化物(TCO)薄膜，因其良好的光电特性而被广泛应用于各种光电器件，但因原材料价格昂贵、铟资源稀少且对环境造成污染，从而限制了它的发展和应用。

掺铝氧化锌(AZO)薄膜不仅具有与ITO相媲美的光电特性，而且具有资源丰富、材料无毒、在氢等离子体中化学稳定性好、成本低廉以及耐磨损等优势，因此AZO薄膜被视为替代ITO薄膜的最佳候选材料，继而在国内外掀起了研究热潮。

AZO(掺铝氧化锌)溅射靶材，主要应用于TCO膜(Transparentcondactiveoxide，简称TCO)的生产。氧化锌(ZincOxide，ZnO)属于N型II-VI族半导体材料，为六方纤锌矿结构，禁带宽度3.3eV。传统应用在半导体及压电材料上。在透明导电膜的应用上，通过掺杂III族元素(铝、镓、铟等)，使其导电特性提高，同时也增加其高温稳定性。其中适当量(1-10at％)氧化铝掺杂，即AZO，能够使氧化锌的导电性变佳，成为低成本制备TCO薄膜产品的具有竞争优势的新材料。AZO透明导电薄膜的制备方法多样，公认的最佳方法是磁控溅射，此法工艺成熟，薄膜电阻率低、透射率高且表面形貌好，薄膜生长温度接近室温，与基板附着性好，能大面积均匀制膜且制膜成本低。

AZO透明导电薄膜性能与靶材性能密切相关。靶材成分均匀性直接决定所制备薄膜的成分均匀性；靶材晶体结构、晶粒大小及其均匀性则与磁控溅射过程中薄膜生长速度直接相关，因此，为保证溅射薄膜具有较低的电阻率、高的透明性以及薄膜厚度的均匀性，所使用的靶材无论是成分还是晶体取向都必须具有好的均匀性，具备高密度及低的体电阻率。高密度的靶材具有较低的电阻率、较高的热导率，可在较低基片温度下溅射而获得低电阻率、高光透射率的薄膜，低的体电阻率能提高溅射速率。此外，靶材密度低还容易使靶材“中毒”，溅射过程不能连续，导致薄膜性能劣化，生产效率降低。靶材必须保证高纯度，高纯度。在制备AZO靶材过程中，应保证氧化锌复合粉体纯度不低于99.95％，例如碱金属离子(Na，K)易在绝缘层中成为可移动性离子，降低元器件性能，铁、镍等重金属离子会产生界面漏电及氧元素增加、电阻率升高等，所以靶材生产过程中须要严格控制杂质的种类与数量。这样在靶材使用寿命期间溅射膜才能具有优良的均匀性和批量产品质量的一致性。

靶材尤其是氧化物溅射靶材，特性表征如密度、晶相、晶粒大小及均匀性、烧结体本征体电阻率等往往受综合因素影响，例如AZO靶材尖晶石相ZnAl₂O₄的出现不仅仅与烧结温度有关，粉体特性表征控制与后续处理、成型制度、烧结气氛、烧结制度、掺杂剂种类与比例等因素对其形成都有较大影响。因此，在AZO靶材制备中需要综合研究，保持靶材镀膜光电性能及其他应用性能的均衡。

随着研究的深入，近年来国内外的一些学者们发现在AZO薄膜掺人其他元素会增强AZO薄膜的光电特性，同时还能优化其晶体结构和表面形貌，而且某些元素也能够提高AZO薄膜的多项性能和稳定性，使研究者们看到提高AZO薄膜性能的研究方向，因此为了进一步提升AZO薄膜的各项性能以及稳定性，一些研究者把目光转向了添加剂元素掺入的AZO薄膜上，以便得到性能更优异，应用更广泛的添加剂元素掺入的AZO薄膜以及制备技术。

目前对添加剂元素掺人的AZO透明导电薄膜的报道主要有：A1-Mn共掺杂ZnO薄膜，A1-Sc共掺杂ZnO薄膜，Al-Gd共掺杂ZnO薄膜，Al-Ti共掺杂ZnO薄膜，Al-N共掺杂ZnO薄膜，A1-Zr共掺杂ZnO薄膜，A1-Cr共掺杂ZnO薄膜等。

为了获得不同用途不同要求的高质量的AZO薄膜，国内外已经研发出多种AZO薄膜的制备技术来调控和改善材料的性能。各种技术虽然各具特点但都致力于完善薄膜性能、降低反应温度、提高控制精度、降低制备成本和适应大规模生产。目前AZO薄膜的生产方法主要有：磁控溅射法、超声喷雾热解法、溶胶一凝胶法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法等。而对于添加剂元素掺入的AZO薄膜而言，目前报道的主要用到磁控溅射法、溶胶一凝胶法、脉冲激光沉积法等。