一種基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)科學(xué)的發(fā)展，功能材料的需求日益迫切。新的功能材料已成為新技術(shù)和新工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。近年來(lái)，表面等離子體技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，貴金屬材料比如金、銀等因其較低的歐姆損耗和較高的電導(dǎo)率被廣泛應(yīng)用于表面等離子體等光電子材料器件中。
[0003]盡管如此，金、銀等貴金屬材料仍然存在一定局限性，相比于電學(xué)性能，其光學(xué)性能較差，尤其在近紅外波段(波長(zhǎng)范圍在1μπι-3μπι之間)下的光學(xué)損耗很高，同時(shí)，金屬材料的光學(xué)特性不可調(diào)控，限制了很多近紅外波段的等離子體器件的應(yīng)用。
[0004]透明導(dǎo)電氧化物(TCO)材料具有可見(jiàn)光區(qū)透過(guò)率高、電阻率低等光學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用于光電子、微電子、真空電子器件等領(lǐng)域。TCO薄膜的導(dǎo)電率很高，在近紅外波段具有與金屬類似的光學(xué)特性，同時(shí)可以通過(guò)改變載流子濃度，比如摻雜，從而對(duì)其光學(xué)特性進(jìn)行調(diào)控，使得其介電常數(shù)與介質(zhì)材料相匹配，能夠在近紅外波段產(chǎn)生表面等離子體共振，因此TCO薄膜可以應(yīng)用于近紅外波段的表面等離子體材料領(lǐng)域。
[0005]與此同時(shí)，TCO作為薄膜太陽(yáng)能電池的前電極材料，在太陽(yáng)能電池研宄和生產(chǎn)中占有重要地位。太陽(yáng)能電池要求前電極具有高透過(guò)率、高導(dǎo)電率和極低的光損失，而傳統(tǒng)TCO薄膜的導(dǎo)電率相比其他電極材料來(lái)說(shuō)還是較低，且在通常情況下，薄膜透過(guò)率和導(dǎo)電率是互相矛盾的。
[0006]為解決透過(guò)率和導(dǎo)電率之間的矛盾，通常在TCO薄膜中摻入一定量的導(dǎo)電材料，或合理設(shè)計(jì)膜層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到在保持高透過(guò)率的前提下提高薄膜的導(dǎo)電性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜。
[0008]一種基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，包括襯底，所述襯底上由下至上依次生長(zhǎng)有下透明導(dǎo)電層、夾層和上透明導(dǎo)電層，所述的下透明導(dǎo)電層和上透明導(dǎo)電層為透明導(dǎo)電氧化物層，所述夾層為TiN層。
[0009]本發(fā)明的透明導(dǎo)電氧化物薄膜通過(guò)層間摻雜形成夾層結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，在其中加入TiN層，能夠提高透明導(dǎo)電氧化物薄膜的導(dǎo)電率，調(diào)控其光學(xué)性能。其次，與貴金屬比較，TiN原料來(lái)源充足，有利于降低本低。
[0010]另外，貴金屬薄膜(如Au薄膜)在生長(zhǎng)時(shí)容易聚集成島，在膜層較薄的情況下難以成膜，且表面粗糙度較大，而TiN膜層易于成膜，在厚度很小(?2nm)時(shí)就能呈現(xiàn)連續(xù)性，同時(shí)具備較高的導(dǎo)電率。
[0011]所述襯底材質(zhì)多為光學(xué)玻璃、硅及其他半導(dǎo)體，可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的襯底。
[0012]透明導(dǎo)電氧化物薄膜中各層的厚度以及各層之間厚度的匹配關(guān)系，直接影響到整個(gè)透明導(dǎo)電氧化物薄膜的光電性能。
[0013]所述下透明導(dǎo)電層的厚度為20?lOOnm。作為優(yōu)選，所述下透明導(dǎo)電層的厚度為30?50nm。最優(yōu)地，所述下透明導(dǎo)電層的厚度為30nmo
[0014]由于ITO薄膜的光電性能根據(jù)制備工藝的不同體現(xiàn)出很大的差異性。當(dāng)薄膜厚度低于某一特定值時(shí)，ITO薄膜的光電性能會(huì)急劇惡化，發(fā)現(xiàn)最低厚度為30nm的ITO薄膜性能已經(jīng)趨于穩(wěn)定。故下層ITO厚度設(shè)定為30nm。
[0015]TiN薄膜質(zhì)地堅(jiān)硬，化學(xué)性能穩(wěn)定(耐腐蝕、耐氧化)，表面光滑，同時(shí)它的光學(xué)、電學(xué)性能可以通過(guò)制備工藝調(diào)控，而且它的載流子濃度與金相當(dāng)，因此TiN夾層的厚度越大，透明導(dǎo)電氧化物薄膜的導(dǎo)電性越好，透過(guò)率越低。作為優(yōu)選，所述夾層的厚度為2?20nm，進(jìn)一步優(yōu)選，所述TiN夾層的厚度為5?10nm，最優(yōu)地，所述TiN夾層的厚度為8nm。
[0016]上透明導(dǎo)電層的厚度與下透明導(dǎo)電層的厚度無(wú)直接關(guān)系，通常大于1nm即可，為了保證上透明導(dǎo)電層和下透明導(dǎo)電層的性能的一致性，作為優(yōu)選，所述上透明導(dǎo)電層的厚度與下透明導(dǎo)電層的厚度相同。進(jìn)一步優(yōu)選，所述上透明導(dǎo)電層的厚度為30nm。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜具有如下優(yōu)占.V.
[0018]通過(guò)在傳統(tǒng)TCO膜層中摻雜TiN薄膜(即夾層)的方式，增大了薄膜的載流子濃度，提高了載流子迀移率，改變了薄膜的光學(xué)性能，從而使得薄膜在近紅外波段能夠與介質(zhì)匹配，產(chǎn)生等離子體共振，因此能夠應(yīng)用于近紅外波段的光學(xué)器件領(lǐng)域，比如在通信(1550nm)波段的發(fā)光增強(qiáng)。同時(shí)，本發(fā)明利用層間摻雜，在保證高透過(guò)率的前提下，極大地提高了薄膜的導(dǎo)電性，相對(duì)于同樣厚度的TCO薄膜來(lái)說(shuō)，其電阻率很低，可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、觸控屏、光電探測(cè)等領(lǐng)域，比如用作光電探測(cè)器的電極材料，在導(dǎo)電性良好的條件下，高透過(guò)率的電極材料能夠增大器件的光吸收面積，提升器件性能。且NTi來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，有利于進(jìn)行商業(yè)推廣應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明中基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例和對(duì)比例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0021]實(shí)施例1
[0022]一種基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，包括襯底I (本實(shí)施例的襯底為玻璃襯底)，襯底I上由下至上依次生長(zhǎng)有下透明導(dǎo)電層2、夾層3和上透明導(dǎo)電層4，下透明導(dǎo)電層2和上透明導(dǎo)電層4為透明導(dǎo)電氧化物層，其中，下透明導(dǎo)電層2和上透明導(dǎo)電層4的厚度均為ITO薄膜，且厚度為30nm。本實(shí)施中夾層3為TiN層，厚度為8nm。
[0023]本實(shí)施例的基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜通過(guò)如下步驟制備得到:
[0024](I)在清洗(依次經(jīng)過(guò)丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗1min)后的玻璃襯底上用磁控濺射的方法生長(zhǎng)一層ITO薄膜，濺射本地真空小于2*10_4Pa，通入的Ar流量為40ccm，工作壓強(qiáng)為IPa，襯底溫度為400°C，材料濺射速率為0.2nm/min，膜層厚度為30nm。
[0025](2)在所制得的樣品上用磁控濺射的方法生長(zhǎng)一層TiN薄膜，用于提高整個(gè)膜層的載流子濃度，濺射條件如下:
[0026]通入的Ar流量為45ccm，N2流量為5ccm，工作壓強(qiáng)為6*10 _2Pa，其襯底溫度為4000C，材料濺射速率為4nm/min，膜層厚度為8nm?
[0027](3)在TiN薄膜上生長(zhǎng)一層ITO薄膜，濺射本地真空小于2*10_4Pa，通入的Ar流量為40ccm，工作壓強(qiáng)為IPa，襯底溫度為400°C，材料濺射速率為0.2nm/min，膜層厚度為30nmo
[0028]本實(shí)施例的基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜的在550nm波長(zhǎng)處的透過(guò)率為59.2%，在1.55um波長(zhǎng)處的透過(guò)率為22.6%，方塊電阻為31.3 Ω / 口。
[0029]對(duì)比例I
[0030]一種基于Au層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，具體結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜相同，所不同的是夾層為Au層。
[0031]基于Au層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜在550nm波長(zhǎng)處的透過(guò)率為63 %，在1.55um波長(zhǎng)處的透過(guò)率為24%，電阻率為1Χ1(Γ4Ω.cm。
[0032]對(duì)比例2
[0033]一種基于Ag層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，具體結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1中基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜相同，所不同的是夾層為Ag層。
[0034]基于Ag層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜550nm波長(zhǎng)處的透過(guò)率在為60 %，方塊電阻為29 Ω / 口。
[0035]以上所述的【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，包括襯底，其特征在于，所述襯底上由下至上依次生長(zhǎng)有下透明導(dǎo)電層、夾層和上透明導(dǎo)電層，所述的下透明導(dǎo)電層和上透明導(dǎo)電層為透明導(dǎo)電氧化物層，所述夾層為TiN層。
2.如權(quán)利要求1所述的基于TiN的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，其特征在于，所述下透明導(dǎo)電層的厚度為20?10nm0
3.如權(quán)利要求2所述的基于TiN的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，其特征在于，所述下透明導(dǎo)電層的厚度為30nmo
4.如權(quán)利要求3所述的基于TiN的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，其特征在于，所述夾層的厚度為2?20nm。
5.如權(quán)利要求4所述的基于TiN的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，其特征在于，所述夾層的厚度為5?1nm0
6.如權(quán)利要求5所述的基于TiN的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，其特征在于，所述上透明導(dǎo)電層的厚度為20?10nm0
7.如權(quán)利要求5所述的基于TiN的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，其特征在于，所述上透明導(dǎo)電層的厚度為30nmo
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于TiN層間摻雜的透明導(dǎo)電氧化物薄膜，包括襯底，所述襯底上由下至上依次生長(zhǎng)有下透明導(dǎo)電層、夾層和上透明導(dǎo)電層，所述的下透明導(dǎo)電層和上透明導(dǎo)電層為透明導(dǎo)電氧化物層，所述夾層為TiN層。本發(fā)明通過(guò)在傳統(tǒng)TCO膜層中摻雜TiN薄膜(即夾層)的方式，增大了薄膜的載流子濃度，提高了載流子遷移率，改變了薄膜的光學(xué)性能，從而使得薄膜在近紅外波段能夠與介質(zhì)匹配，產(chǎn)生等離子體共振，因此能夠應(yīng)用于近紅外波段的光學(xué)器件領(lǐng)域，且TiN來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，有利于進(jìn)行商業(yè)推廣應(yīng)用。
【IPC分類】H01B5-14
【公開(kāi)號(hào)】CN104835554
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510117664
【發(fā)明人】葉輝, 張?jiān)娪? 方旭
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年3月18日