一种电学器件用Al掺杂的氧化锌薄膜制备方法与流程

本发明涉及一种氧化锌薄膜的制备方法，特别是涉及一种电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜的制备方法。

背景技术：

氧化锌(zno)是一种常见的氧化物，广泛地应用于塑料、硅酸盐制品、润滑油、油漆涂料、食品、电池等领域中。

氧化锌是具有纤锌矿结构的半导体材料，室温下禁带宽度为3.37ev，激子束缚能高达60mev，其透明度高，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管、压电传感器等产品中均有应用。氧化锌的光学、电学性质，与其化学组成、能带结构、氧空位数量及结晶程度有密切关系。

氧化锌薄膜是一种理想的透明导电薄膜，可见光透过率高达90％左右，电阻率低至10^-4ω·cm。其与ito相比，氧化锌薄膜，尤其是铝掺杂的氧化锌薄膜azo(zno∶al)，具有成本低廉、无毒、在氢等离子体中稳定性较好的优点，有望成为取代ito的下一代新型透明导电材料。

常用的azo薄膜制备方法有磁控溅射法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法等。

虽然世界各国学者对于azo有着广泛的研究，但是，如何控制溅射法、沉积法制备azo薄膜中al的掺杂量、掺杂元素均匀程度并获得有所需的光、电性能，仍然没有良好的解决方法。

脉冲激光沉积(pulsedlaserdeposition，pld)，也被称为脉冲激光烧蚀，是一种利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来的物质沉淀在不同的衬底上，得到沉淀或者薄膜的一种手段。因其具有无污染、易控制，可以精确控制化学计量工艺简单、灵活性大，适于制备多种膜材料等优点，得到飞速的发展。

脉冲激光沉积制备薄膜时，主要的影响因素有激光能量密度、沉积气压以及衬底基板材质等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种制备azo薄膜的设备和方法，通过该方法，可以得到电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜，满足不同领域的使用要求。

一种电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜制备方法，其所用的设备包括石英管、电炉、真空泵、激光脉冲发生器、第一反射镜、第二反射镜以及透镜。

其中，所述石英管的一端连接所述真空泵，所述石英管的另一端设置有气体入口，所述石英管中设置有靶材架；所述电炉为管式炉，对所述石英管中部进行加热；所述透镜安装在可转动的支架上，所述透镜通过转动控制激光脉冲束的焦点；所述激光脉冲发生器发射的激光脉冲束，依次通过所述第一反射镜、所述第二反射镜以及所述透镜，轰击靶材。

制备电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜的方法包括如下步骤：

(1)将靶材安装在所述靶材架上，所述靶材在所述石英管中部，将清洗过的基板放置在所述石英管中部，开启所述真空泵对所述石英管抽真空，10～30min后关闭所述真空泵，然后从所述气体入口通入氩气20min；重复上述抽真空、通入氩气的步骤2～3次，然后通入氩气维持石英管内的压强为260torr；所述靶材为zno靶材和al2o3靶材，所述al2o3靶材在所述zno靶材正上方且紧密接触，所述靶材与所述基板中心位置的水平距离为1.5cm；

(2)开启所述电炉升温到900～1000℃，维持恒温，开启所述激光脉冲发生器，调节所述透镜位置控制激光脉冲束轰击所述zno靶材20～30s，然后调节所述透镜位置控制激光脉冲束轰击所述al2o3靶材10～15s，再依次调节所述透镜位置控制激光脉冲束轰击所述zno靶材30s、所述al2o3靶材5s、所述zno靶材30s、所述al2o3靶材5s，关闭所述激光发生器；其中，所述激光脉冲束的波长为248nm、能量为4j/cm²、频率为20hz；

(3)关闭所述电炉，随炉冷却至室温即得到电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜。

优选地，所述基板选择蓝宝石基板。基板对于azo薄膜的生长以及性质也有着至关重要的作用，申请人结合制备过程中所用材料和参数，通过试验，确定以蓝宝石为基板材质，得到的azo薄膜的电学性能最佳，透明度也较高。

azo薄膜的导电性主要来自于氧空位、al³⁺置换zn²⁺后的自由电子，本发明中，通过设置两个靶材，交叉轰击，得到多“层”状的azo薄膜，每一次对al2o3靶材轰击形成al2o3靶材过程中，由于石英管中温度较高，扩散作用强烈，al离子较为迅速地向zno“层”中扩散。扩散后的al离子浓度，以每一al2o3“层”为中心，形成一个浓度梯度，这种特殊的结构，增加了azo薄膜的电学性能，其最小导电率约为9×10^-4ω·cm。并且，azo薄膜中各元素的均匀程度，也相比于zno和al2o3交替的层状结构更为均匀。另一方面，相比于以掺铝氧化锌为靶材得到的azo薄膜，其中的铝离子分布又相对来说不均匀，铝离子的浓度梯度，也带来了不同的电学性能。

本发明公开的制备方法，通过控制不同靶材的轰击时间，可以得到不同成分和性能的azo薄膜，适宜多种不同电学器件的应用。

附图说明

图1是实施例1中所用的制备电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜的设备示意图；

图2是实施例1制备得到的一种电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜的xrd图；

附图标记的名称为：1石英管、2电炉、3真空泵、4气体入口、5激光脉冲发生器、6第一反射镜、7第二反射镜、8透镜、9支架、10zno靶材、11al2o3靶材、12基板、13靶材架、14激光脉冲束。

具体实施方式

以下为本发明的较佳的具体实施方式，用以对本发明进行解释和说明。

实施例1

一种电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜制备方法，该方法其所用的设备如图1所示，包括石英管1、电炉2、真空泵3、激光脉冲发生器5、第一反射镜6、第二反射镜7以及透镜8。

其中，石英管1的一端连接真空泵3，石英管1的另一端设置有气体入口4，石英管1中设置有靶材架13；电炉2为管式炉，用于对石英管1的中部进行加热；透镜8安装在可转动的支架9上，透镜8通过转动控制激光脉冲束14的焦点；激光脉冲发生器5发射的激光脉冲束14，依次通过第一反射镜6、第二反射镜7以及透镜8，轰击zno靶材10或al2o3靶材11。

制备电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜的方法包括如下步骤：

(1)将zno靶材10和al2o3靶材11安装在靶材架13上，其中al2o3靶材在zno靶材正上方且紧密接触，靶材位于石英管1中部，将清洗过的蓝宝石基板12放置在石英管1中部，靶材与蓝宝石基板12中心位置的水平距离为1.5cm。开启真空泵3对石英管1抽真空，30min后关闭真空泵3，然后从气体入口4通入氩气20min；重复上述抽真空、通入氩气的步骤3次，然后通入氩气维持石英管1内的压强为260torr。

(2)开启电炉2升温到900℃，维持恒温，开启激光脉冲发生器5，调节透镜8位置，控制激光脉冲束14轰击zno靶材10，时间为20s，然后调节透镜8位置，控制激光脉冲束14轰击al2o3靶材11，时间为10s，再依次调节透镜8位置控制激光脉冲束轰击zno靶材10为30s、al2o3靶材11为5s、zno靶材10为30s、al2o3靶材11为5s，关闭激光发生器5；其中，激光脉冲束14的波长为248nm、能量为4j/cm²、频率为20hz。

(3)关闭电炉2，随炉冷却至室温即得到电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜。

图2是对得到的电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜进行xrd分析得到的衍射图，从图中可以看到，在2θ≈34.4°的位置的峰对应于(002)面，由此可以证明得到的azo薄膜是以c轴为择优取向进行生长的，并且也可以证明，铝离子对锌原子进行了替代，即铝离子发生了扩散。

实施例2

一种电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜制备方法，其所用的设备同实施例1，该方法包括如下步骤：

(1)将zno靶材10和al2o3靶材11安装在靶材架13上，其中al2o3靶材在zno靶材正上方且紧密接触，靶材位于石英管1中部，将清洗过的玻璃基板12放置在石英管1中部，靶材与玻璃基板12中心位置的水平距离为1.5cm。开启真空泵3对石英管1抽真空，10min后关闭真空泵3，然后从气体入口4通入氩气20min；重复上述抽真空、通入氩气的步骤2次，然后通入氩气维持石英管1内的压强为260torr。

(2)开启电炉2升温到1000℃，维持恒温，开启激光脉冲发生器5，调节透镜8位置，控制激光脉冲束14轰击zno靶材10，时间为30s，然后调节透镜8位置，控制激光脉冲束14轰击al2o3靶材11，时间为12s，再依次调节透镜8位置控制激光脉冲束轰击zno靶材10为30s、al2o3靶材11为5s、zno靶材10为30s、al2o3靶材11为5s，关闭激光发生器5；其中，激光脉冲束14的波长为248nm、能量为4j/cm²、频率为20hz。

(3)关闭电炉2，随炉冷却至室温即得到电学器件用al掺杂的氧化锌薄膜。