新一代黑马：氧化锌透明导电薄膜

作为一种透明电极材料，透明导电膜薄膜在可见光范围内具有高透光性和良好的导电特性，我们很少能感受到它的存在，但它在生活中常见的触摸屏、电子纸以及薄膜硅太阳能电池和其他有机元件中都切切实实地发挥着重要的作用。

长久以来，LED器件用透明导电薄膜这片广阔的市场这片广阔的市场都是镍/金合金和铟锡氧化物（ITO）材料的天下。但随着应用的不断深入，对稳定性、低成本和环境友好性等的需求越来越高，人们必须为这片广阔的海洋注入新元素，找到性价比更高的新一代透明电极“黑马”。

对于透明导电薄膜来说，透光度和导电性是两项最重要的因素，同时也是两个相互牵制的指标。透明意味着材料的能带隙宽度大，但自由电子少；而导电率高往往意味着更多的电子，这种材料往往更趋近于金属，从而不透明。因此，一般来讲，导电性提高，透光度就会下降；反之亦然。我在中山大学的研究团队利用金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）技术制备的氧化锌透明导电薄膜兼具高透光度和优秀的导电性，是目前该领域颇具前景的一匹黑马。

氧化锌是重要的功能材料，具有电导、光导、压电、声光、发光、器皿传感及化学催化等特性。氧化锌可以在很宽的范围内调节和控制，不同条件下生成的薄膜具有不同的功能。研究团队研制的镓掺杂氧化锌透明导电薄膜除了能满足优良的导电和透明特性外，还能精准控制生长质量和控制形貌，利用氧化锌的折射率与空气的差别及表面形貌特点，可形成具有光子晶体特性的表面形貌，以使其对光学的萃取效率更高。

另外，目前广泛使用的镍/金和ITO还存在一个与生俱来的问题:所用材料稀缺。相比之下，氧化锌透明导电薄膜则不存在这个问题。从原料来看，氧化锌使用的是锌和氧，二者的储量远高于ITO所使用的铟。这使得氧化锌透明导电薄膜具有原料丰富、成本低廉、工艺简单、易于实现掺杂、更加环保的突出优势，并具有优良的稳定性。而研究团队研制的镓掺杂氧化锌透明导电薄膜除了较高的可见光穿透率和优异的透明导电特性外，还具有较低的电阻率和极强的热稳定性，且对氮化镓LED发光的萃取效率更高，在光电和光伏器件领域具有广阔的应用前景。

另外，MOCVD方法属于异质外延化学气相沉积的一种，该方法利用锌源和氧源在衬底表面进行化学反应从而得到高质量的薄膜。由于反应温度高，在基体与膜层之间易形成扩散层，因此研究团队采用MOCVD方法生长的氧化锌透明导电薄膜具有优良的结合力。 

氧化锌使用的是锌和氧，二者的储量远高于ITO所使用的铟，这使得氧化锌透明导电薄膜具有原料丰富、成本低廉、工艺简单、易于实现掺杂、更加环保的突出优势，并具有优良的稳定性。

随着透明导电薄膜技术不断推陈出新，新的应用也在不断涌现，许多企业为了获得和维持市场占有率而追逐各种新技术。性能优异的氧化锌透明导电薄膜作为未来LED芯片透明电极的代表材料之一，也成为各家企业进行攻关的主角。以三星、LG集团和台湾晶元光电股份有限公司等为代表的企业早就开始了氧化锌透明电极技术的争夺战，以期在新一代透明电极材料市场中占有一席之地，但由于材料制备工艺和装备等原因，尚未取得理想的成果。

为了发展适用于未来的廉价环保半导体照明等氧化锌透明电极基础材料，形成具有战略意义的可持续发展的节能光电子工业材料，我们的研究团队与深圳市捷佳伟创新能源装备有限公司联合，成功开发了中国首台专用于大规模高质量氧化锌半导体薄膜材料生长的38片量产型MOCVD设备。

在研制该38片量产型MOCVD设备的过程中，研究团队针对反应腔、气场、温场、设备控制软件、自动化，以及可靠性、稳定性和安全性等关键技术难点进行了研究，采用了多项创新技术。例如，反应腔采用大容量、大尺寸垂直桶式腔体结构和抗高温氧化技术；气场采用多层匀气送气结构和抑制预反应的特种喷射技术；温场采用高温抗氧化长寿命加热体和高性价比加热控制系统；采用可中断和在线修改、可记忆自我诊断的设备控制软件；利用高性价比机械手提高自动化水平，并采用模块化设计；以高标准进行加工及装配，以提高可靠性和稳定性；采用逻辑诊断和快速反应机构以提高安全性。

重要的是，研究团队研制的国产化氧化物MOCVD设备的成本远低于进口设备，并且所镀制氧化物薄膜的性能与进口设备相当，在世界上率先实现了具有氧化锌透明电极结构的新型高效大功率LED芯片的中试生产。该设备的研制突破了国际设备巨头的技术壁垒，形成了自主知识产权的MOCVD关键设备制造技术。

利用该设备制备的氧化锌透明导电薄膜拥有广泛的应用领域，半导体照明应用就是其中之一。氧化锌透明导电薄膜可用于制作超高亮LED芯片的透明电极，以增强出光效率，目前已有成套技术。薄膜太阳能应用是另一项重要的应用领域，镀有氧化锌透明导电薄膜的平板玻璃（以下简称TCO玻璃）可用作薄膜电池的基板以及前电极。另外，研究团队研发的氧化锌透明导电薄膜具有非常高的电导率，对红外光具有明显的反射效应，因此可用于开发热反射玻璃产品，用于节能窗玻璃。此外，电磁屏蔽、透明加热等也是氧化锌透明导电薄膜的重要应用领域。

经过8年的努力，研究团队研发出了氧化锌透明导电薄膜MOCVD外延生长和核心装备制造技术，成功解决了具有氧化锌透明电极的LED芯片工作电压过高的世界性工艺技术难题，在氧化锌透明电极材料外延生长、LED芯片工艺和MOCVD制备制造等技术领域获得了一百多项自主知识产权，形成了完整的专利布局。如今，氧化锌透明导电薄膜已成为备受瞩目的材料体系，也是LED半导体照明、太阳能及节能、显示等产业所需的关键材料。在全球LED产业和新能源产业蓬勃发展的情况下，氧化锌透明导电薄膜这匹黑马的深刻价值和广阔前景值得期待。

>>>本文为原创，转载请回复。<<<