ITO透明导电薄膜的制备及光电特性研究

2004年10月　　

　液　晶　与　显　示

　Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays

V ol.19,N o.5

　Oct.,2004

文章编号:100722780(2004)0520376204

IT O 透明导电薄膜的制备及光电特性研究

马　颖,张方辉,靳宝安,牟　强,袁桃利

(陕西科技大学电气与电子工程学院,陕西咸阳　712081,E 2mail :maying19734@hotmail.com )

摘　要:以氯化铟和氯化锡为前驱物,采用溶胶2凝胶法在玻璃基片上制备了IT O 薄膜。研究了掺锡浓度、热处理温度和热处理时间等工艺条件对IT O 薄膜光电特性的影响。制备的IT O 薄膜的方阻为300Ω/□,可见光平均透过率为80%,电阻率为4×10-3Ω・cm ,其光电特性已达到了T N 2LC D 透明电极的要求。关

键

词:IT O 薄膜;溶胶2凝胶法;方阻;透光率;液晶显示器

中图分类号:O484.4　　　文献标识码:A

　　收稿日期:2004204228;修订日期:2004206224

　　基金项目:陕西省教育厅基金资助项目(N o.03J K 161)

1　引　　言

透明导电氧化物薄膜主要包括In 、Zn 、Sb 和Cd 的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料,具有

禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等特性。透明导电薄膜以掺锡氧化铟(Indium T in Ox 2ide ,IT O )为代表,广泛地应用于平板显示、太阳能

电池、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域。平板显示器市场广阔,被认为具有比半导体产业更高的增长率,特别是液晶显示器(LC D )具有体积小、重量轻、能耗低、无辐射、无闪烁、抗电磁干扰等特点,广泛应用于笔记本电脑、台式电脑、各类监视器、数字彩电和手机等电子产品,以全球显示器市场来看,LC D 产值远高于其他显示器。透明导电薄膜是简单液晶显示器的三大主要材料之一,随着LC D 产业的发展,市场对IT O 透明导电膜的需求也随之急剧增大。

IT O 薄膜的制备方法多样,研究较多的制备方

法为磁控溅射法[1～6],另外还有真空蒸发法、化学气相沉积法、喷涂法、溶胶2凝胶法[7～12]等方法。其中,溶胶2凝胶法的优点是生产设备简单、工艺过程温度低,易实现制备多组元且掺杂均匀的材料。

采用溶胶2凝胶法制备IT O 薄膜多以铟、锡的有机醇盐为前驱物。以铟、锡的无机盐为前驱物,

采用溶胶2凝胶法制备的IT O 薄膜,比以有机醇盐为前驱物的溶胶2凝胶法制备成本低,该方法制备IT O 薄膜具有生产设备简单、成本低的优势。本

文以氯化铟和氯化锡为前驱物,采用溶胶2凝胶法制备IT O 薄膜,探索以铟、锡的无机盐为前驱物制备IT O 薄膜的方法。

2　实　　验

2.1　溶液的配制

按一定比例称取适量前驱物(InCl 3・4H 2O 和

SnCl 4・5H 2O )溶于乙醇中,并加入适量的蒸馏水,取R (水与铟锡盐的摩尔比)为25,经过搅拌配成均相溶液,将均相溶液在20℃下静置48h 后形成透明溶胶。2.2　ITO 薄膜的制备

将载玻片分别用洗洁精溶液、稀盐酸溶液进行超声清洗,再用去离子水多次超声清洗,干燥后备用。制膜时采用甩膜法,甩膜速率为1500r/m in ,甩膜时间20～30s ,甩膜后的载玻片置于管式炉内进行热处理,在玻璃基体上获得IT O 薄膜。

由于经一遍甩膜、热处理所制备的IT O 薄膜厚度较薄,电子在界面上发生漫反射对薄膜导电能力影响较大,采用在一块玻璃基板上多次甩膜、热处理的方法制备IT O 薄膜。实验中采用在一块玻璃基板上经过6遍甩膜和热处理的方法制备

IT O 薄膜。

2.3　ITO 薄膜的分析

IT O 薄膜的方阻由四探针法测量,透光率由

平面光栅单色仪通过测量载玻片制膜前后的透光率的比值求得,IT O 薄膜厚度由质量法求得。

3　实验结果与讨论

3.1　掺杂浓度对ITO 薄膜光电特性的影响

将掺锡浓度不同的溶胶在玻璃基板上分别甩膜,然后将甩膜后的基板在450℃热处理15min ,制备掺锡浓度不同的IT O

薄膜。

图1为掺杂浓度对IT O 薄膜方阻的影响关系曲线。掺锡浓度较小和较大时IT O 薄膜方阻均较大,掺锡浓度在20%附近IT O 薄膜方阻最小。这是由于通过锡离子掺杂,一方面会形成电子施主,另一方面又会引起晶格畸变,产生陷阱能级,形成电子复合中心。锡离子掺杂较少,电子浓度小,方阻较大;锡离子掺杂过度,陷阱态密度大,使电子复合增多,方阻较大;适度的锡离子掺杂提供了更多的电子,提高IT O 薄膜的电导率

,方阻较小。此实验结论与范志新等人[13]得出的有关溶胶2凝胶法制备IT O 薄膜的最佳掺杂量的理论结果w (Sn )=15.79%基本吻合。

图1　掺锡浓度对方阻的影响

Fig.1　E ffect of different Sn doping content on the block resis 2

tance

图2为掺杂浓度对IT O 薄膜透光率(λ=

550nm )的影响关系曲线。IT O 薄膜透光率随着锡掺杂浓度增加,逐渐增大,IT O

薄膜中锡离子含量的增加有利于提高IT O 薄膜的透光率。

图2　掺锡浓度对透光率的影响

Fig.2　E ffect of different Sn doping content on the transmittance

3.2　热处理温度对ITO 薄膜光电特性的影响

将掺锡浓度为20%(质量分数)的溶胶在玻

璃基板上甩膜,然后将甩膜后的基板分别在不同的热处理温度下热处理15min ,制备不同热处理温度条件下的IT O 薄膜。

图3为热处理温度对IT O 薄膜的方阻影响关系曲线。热处理温度较低时IT O 薄膜方阻较高,随着热处理温度的增加IT O 薄膜的方阻直线下降,热处理温度达到450℃时IT O 薄膜方阻降为最低,热处理温度高于450℃后IT O 薄膜方阻由减小转为增加。热处理温度较低时,IT O 薄膜晶粒较小,方阻较大;随着热处理温度的升高,

图3　热处理温度对方阻的影响

Fig.3　E ffect of heating treatment tem perature on the block re 2

sistance

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IT O 薄膜晶粒增大,有利于方阻的下降;当热处理

温度接近500℃附近时晶格畸变严重,抵消了晶

粒增大有利于方阻下降的影响,导致热处理温度超过450℃后,IT O 薄膜方阻转为增加。

图4为热处理温度对IT O 薄膜透光率(λ=550nm )的影响关系曲线。热处理温度对透光率的影响在热处理温度为475℃之前并不大,当热处理温度高于475℃之后透光率随热处理温度的增高迅速下降

。

图4　热处理温度对透光率的影响

Fig.4　E ffect of heating treatment tem perature on the transmit 2

tance

3.3　热处理时间对ITO 薄膜光电特性的影响

将掺锡浓度为20%(质量分数)的溶胶在玻璃基板上甩膜,然后在热处理温度为450℃条件

下,分别对甩膜后的基板进行不同时间的热处理,制备不同热处理时间条件下的IT O 薄膜。

图5为热处理时间对IT O 薄膜方阻的影响关系曲线。热处理时间较短时IT O 薄膜方阻较大,随着热处理时间的增加,IT O 薄膜方阻迅速减小,当热处理时间超过15min 后,随着热处理时间的增加,IT O 薄膜方阻缓慢上升。热处理时间较短时,IT O 薄膜晶粒较小,方阻较大;随着热处理时间的增加,IT O 薄膜晶粒变大,方阻迅速下降;当热处理时间超过15min 后,随着热处理时间的增加,IT O 薄膜晶粒尺寸变化不大,方阻变化不大。

图6为热处理时间对IT O 薄膜透光率(λ=550nm )的影响关系曲线。热处理时间较短时IT O 薄膜透光率较高,随着热处理时间的增加,IT O 薄膜透光率随之减小,当热处理时间超过15min 后,随着热处理时间的增加,IT O 薄膜的透光率下降

缓慢,热处理时间超过30min 后IT O 薄膜的透光率基本不随着热处理时间的增加而变化

。

图5　热处理时间对方阻的影响

Fig.5　E ffect of heating treatment time on the block

resistance

图6　热处理时间对透光率的影响

Fig.6　E ffect of heating treatment time on the transmittance

4　小　　结

影响IT O 薄膜光电特性的工艺条件主要有掺锡浓度、热处理温度和热处理时间,在掺锡浓度为20%(质量分数),热处理温度为450℃,热处理

时间为15min 条件下制备的IT O 薄膜的光电特性较好。采用上述工艺制备的IT O 薄膜的方阻约为300Ω/□,可见光平均透过率为80%,膜厚约为130nm ,电阻率约为4×10-3Ω・cm 。

873液　　晶　　与　　显　　示　　　　　　　　　　　　　　　　第19卷

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Tin 2doped I n 2O 3Thin Films Prepared by Sol 2gel Method

MA Y ing ,ZH ANG Fang 2hui ,J I N Bao 2an ,MU Qiang ,Y UAN T ao 2li

(College o f Electrical and Electronic Engineering ,Shaanxi Univer sity o f Science and Technology ,

Xianyang 　712081,China ,E 2mail :maying 19734@hotmail.com )

Abstract

T he Sn 2d oped In 2O 3thin films were prepared on the glass substrates by s ol 2gel meth od with InCl 3・4H 2O and SnCl 4・5H 2O.The studies were carried out on optical and electrical properties of IT O films affected by parameters ,such as Sn doping content ,annealing tem perature and annealing time.The sheet resistance of the IT O films is proper 2ly 300Ω/□,the average visible transmittance is about 80%,the resistivity is about 4.08×10-3Ω・cm ,the optical and electrical properties of the IT O films have met the requirements of the transparent electrode used in T N 2LC D.K ey w ords :IT O thin films ;s ol 2gel ;sheet resistance ;transmittance ;LC D

作者简介:马颖(1973-),男,河南郑州人,硕士,讲师,研究方向为平板显示技术。

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