CN106702326A - 一种p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，其中NiMSnO中的M元素具有较低的标准电势，与O有高的结合能，M与O形成的氧化物为高阻氧化物、且其禁带宽度大于3eV，M为Be、Mg、Ca、Sr、Ba、B、Al、Ga、In、Sc、Y、Si、Ge、Hf、Zr、Mn、Fe、Nb、V、Sc、Rh或Co中的任一种；另外Ni为+2价、为p型NiMSnO非晶氧化物中的基体元素，与O结合形成NiMSnO的p型导电特性；M在基体中与O结合，作为空穴浓度的控制元素；Sn为+2价，与O结合起到空穴传输通道的作用。本发明还公开了制备p型NiGaSnO非晶氧化物半导体薄膜的方法，使用NiGaSnO陶瓷片为靶材，采用脉冲激光沉积方法，制得的p型NiGaSnO非晶薄膜空穴浓度10¹²~10¹⁴cm^‑3，可见光透过率≧80%。本发明所提供的薄膜材料可用于P型非晶薄膜晶体管。

Description

一种p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种非晶氧化物半导体薄膜，尤其涉及一种p型非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法。

背景技术

薄膜晶体管（TFT）是微电子特别是显示工程领域的核心技术之一。目前，TFT主要是基于非晶硅（a-Si）技术，但是a-Si TFT是不透光的，光敏性强，需要加掩膜层，显示屏的像素开口率低，限制了显示性能，而且a-Si迁移率较低（~2 cm²/Vs），不能满足一些应用需求。基于多晶硅（p-Si）技术的TFT虽然迁移率高，但是器件均匀性较差，而且制作成本高，这限制了它的应用。此外，有机半导体薄膜晶体管（OTFT）也有较多的研究，但是OTFT的稳定性不高，迁移率也比较低（~1 cm²/Vs），这对其实际应用是一个较大制约。

为解决上述问题，人们近年来开始致力于非晶氧化物半导体（AOS）TFT的研究，其中最具代表性的是InGaZnO。与Si基TFT不同，AOS TFT具有如下优点：可见光透明，光敏退化性小，不用加掩膜层，提高了开口率，可解决开口率低对高分辨率、超精细显示屏的限制；易于室温沉积，适用于有机柔性基板；迁移率较高，可实现高的开/关电流比，较快的器件响应速度，应用于高驱动电流和高速器件；特性不均较小，电流的时间变化也较小，可抑制面板的显示不均现象，适于大面积化用途。

由于金属氧化物特殊的电子结构，氧原子的2p能级一般都远低于金属原子的价带电子能级，不利于轨道杂化，因而O 2p轨道所形成的价带顶很深，局域化作用很强，因而空穴被严重束缚，表现为深受主能级，故此，绝大多数的氧化物本征均为n型导电，具有p型导电特性的氧化物屈指可数。目前报道的p型导电氧化物半导体主要为SnO、NiO、Cu₂O、CuAlO₂等为数不多的几种，但这些氧化物均为晶态结构，不是非晶形态。目前人们正在研究的AOS如InGaZnO等均为n型半导体，具有p型导电的非晶态氧化物半导体几乎没有。因而，目前报道的AOS TFT均为n型沟道，缺少p型沟道的AOS TFT，这对AOS TFT在新一代显示、透明电子学等诸多领域的应用产生了很大的制约。因而，设计和寻找并制备出p型导电的非晶氧化物半导体薄膜是人们亟需解决的一个难题。

发明内容

本发明针对实际应用需求，拟提供一种p型非晶氧化物半导体薄膜及其制备方法。

本发明提供了一种p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，M元素具有下述共性：M具有较低的标准电势，与O有高的结合能，M与O形成的氧化物为高阻氧化物，且其禁带宽度大于3eV，包括Be、Mg、Ca、Sr、Ba、B、Al、Ga、In、Sc、Y、Si、Ge、Hf、Zr、Mn、Fe、Nb、V、Sc、Rh、Co。在p型NiMSnO体系中：Ni为+2价，为材料的基体元素，与O结合形成材料的p型导电特性；M具有较低的标准电势，与O有高的结合能，在基体中作为空穴浓度的控制元素；Sn为+2价，与O结合也能提供p型导电，且具有球形电子轨道，在非晶状态下电子云高度重合，因而起到空穴传输通道的作用。

本发明所提供的p型CuNSnO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：在NiMSnO中，Ni为+2价，M为Be、Mg、Ca、Sr、Ba、B、Al、Ga、In、Sc、Y、Si、Ge、Hf、Zr、Mn、Fe、Nb、V、Sc、Rh、Co中的一种，Sn为+2价；NiMSnO薄膜为非晶态，具有p型导电特性。

本发明所提供的p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，其中更为进一步地，当为M为Ga时，此时NiMSnO即为NiGaSnO，如各实施例所阐述的，p型NiGaSnO薄膜化学式为Ni_xGa_ySn_zO_x+1.5y+z，其中0.5≦x≦0.7，0.1≦y≦0.2，0.2≦z≦0.3，且x+y+z=1。

本发明还提供了制备上述p型NiGaSnO非晶氧化物半导体薄膜的制备方法，具体步骤如下：

（1）以高纯NiO、Ga₂O₃和SnO粉末为原材料，混合，研磨，在1000~1100℃的Ar气氛下烧结，制成NiGaSnO陶瓷片为靶材，其中Ni、Ga、Sn三组分的原子比为(0.5~0.7):(0.1~0.2):(0.2~0.3)；

（2）采用脉冲激光沉积（PLD）方法，将衬底和靶材安装在PLD反应室中，抽真空至真空度低于1×10^-3Pa；

（3）通入O₂为工作气体，气体压强5~7Pa，衬底温度为25~500℃，以脉冲激光轰击靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在衬底上沉积，形成一层薄膜，在不高于100Pa的O₂气氛中自然冷却到室温，得到p型NiGaSnO非晶薄膜。

采用上述方法生长的p型NiGaSnO非晶氧化物半导体薄膜，其性能指标为：NiGaSnO非晶薄膜具有p型导电特性，空穴浓度10¹²~10¹⁴cm^-3，可见光透过率≧80%。

上述材料参数和工艺参数为发明人经多次实验确立的，需要严格控制，在发明人的实验中若超出上述参数的范围，则无法实现设计的p型NiGaSnO材料，也无法获得具有p型导电且为非晶态的NiGaSnO薄膜。

在p型NiMSnO体系中，M元素具有下述共性：M具有较低的标准电势，与O有高的结合能，M与O形成的氧化物为高阻氧化物，且其禁带宽度大于3eV，包括Be、Mg、Ca、Sr、Ba、B、Al、Ga、In、Sc、Y、Si、Ge、Hf、Zr、Mn、Fe、Nb、V、Sc、Rh、Co。除M=Ga外，当M为上述所述的其它元素时，也具有同样的机理、也具有类似的性质，除NiGaSnO之外的其它的p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜也能用上述类似的方法与步骤进行制备，所得的材料和器件具有类似的性能。

本发明的有益效果在于：

1）本发明所述的p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，其中Ni为材料的基体元素，与O结合形成材料的p型导电特性，M为空穴浓度的控制元素，Sn起到空穴传输通道的作用，基于上述原理，NiMSnO是一种良好的p型AOS材料。

2）本发明所述的p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，具有良好的材料特性，其p型导电性能易于通过组分比例实现调控。

3）本发明所述的p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，可以作为沟道层制备的p型AOS TFT，从而为p型AOS TFT的应用提供关键材料。

4）本发明所述的p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，与已存在的n型InGaZnO非晶氧化物半导体薄膜组合，可形成一个完整的AOS的p-n体系，且p型NiMSnO与n型InGaZnO均为透明半导体材料，因而可制作透明光电器件和透明逻辑电路，开拓AOS在透明电子产品中应用，促进透明电子学的发展。

5）本发明所述的p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，可在室温下生长，与有机柔性衬底相兼容，因而可在可穿戴、智能化的柔性产品中获得广泛应用。

6）本发明所述的p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，在生长过程中存在较宽的参数窗口，可实现大面积沉积，能耗低，制备工艺简单、成本低，可实现工业化生产。

具体实施例

以下结合具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

（1）以高纯NiO、Ga₂O₃和SnO粉末为原材料，混合，研磨，在1100℃的Ar气氛下烧结，制成NiGaSnO陶瓷片为靶材，其中Ni、Ga、Sn三组分的原子比为0.5:0.2:0.3；

（2）采用脉冲激光沉积（PLD）方法，将衬底和靶材安装在PLD反应室中，抽真空至真空度为9×10^-4Pa；

（3）通入O₂为工作气体，气体压强5Pa，衬底温度为500℃，以脉冲激光轰击靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在衬底上沉积，形成一层薄膜，在100Pa的O₂气氛中自然冷却到室温，得到p型Ni_0.5Ga_0.2Sn_0.3O_1.1非晶薄膜。

以石英为衬底，按照上述生长步骤制得p型Ni_0.5Ga_0.2Sn_0.3O_1.1薄膜，对其进行结构、电学和光学性能测试，测试结果为：薄膜为非晶态，厚度70nm；具有p型导电特性，空穴浓度10¹⁴cm^-3；可见光透过率85%。

实施例2

（1）以高纯NiO、Ga₂O₃和SnO粉末为原材料，混合，研磨，在1050℃的Ar气氛下烧结，制成NiGaSnO陶瓷片为靶材，其中Ni、Ga、Sn三组分的原子比为0.6:0.2:0.2；

（2）采用脉冲激光沉积（PLD）方法，将衬底和靶材安装在PLD反应室中，抽真空至真空度为9×10^-4Pa；

（3）通入O₂为工作气体，气体压强6Pa，衬底温度为300℃，以脉冲激光轰击靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在衬底上沉积，形成一层薄膜，在90Pa的O₂气氛中自然冷却到室温，得到p型Ni_0.6Ga_0.2Sn_0.2O_1.1非晶薄膜。

以石英为衬底，按照上述生长步骤制得p型Ni_0.6Ga_0.2Sn_0.2O_1.1薄膜，对其进行结构、电学和光学性能测试，测试结果为：薄膜为非晶态，厚度66nm；具有p型导电特性，空穴浓度10¹³cm^-3；可见光透过率82%。

实施例3

（1）以高纯NiO、Ga₂O₃和SnO粉末为原材料，混合，研磨，在1000℃的Ar气氛下烧结，制成NiGaSnO陶瓷片为靶材，其中Ni、Ga、Sn三组分的原子比为0.7:0.1:0.2；

（2）采用脉冲激光沉积（PLD）方法，将衬底和靶材安装在PLD反应室中，抽真空至真空度为9×10^-4Pa；

（3）通入O₂为工作气体，气体压强7Pa，衬底温度为25℃，以脉冲激光轰击靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在衬底上沉积，形成一层薄膜，便得到p型Ni_0.7Ga_0.1Sn_0.2O_1.05非晶薄膜。

以石英为衬底，按照上述生长步骤制得p型Ni_0.7Ga_0.1Sn_0.2O_1.05薄膜，对其进行结构、电学和光学性能测试，测试结果为：薄膜为非晶态，厚度59nm；具有p型导电特性，空穴浓度10¹³cm^-3；可见光透过率80%。

上述各实施例中，使用的原料NiO粉末、Ga₂O₃粉末和SnO粉末的纯度均在99.99%以上。

本发明p型NiGaSnO非晶氧化物半导体薄膜制备所使用的衬底，并不局限于实施例中的石英片，其它各种类型的衬底均可使用。

在p型NiMSnO体系中，M元素为Be、Mg、Ca、Sr、Ba、B、Al、Ga、In、Sc、Y、Si、Ge、Hf、Zr、Mn、Fe、Nb、V、Sc、Rh、Co中的一种。除M=Ga外，当M为上述所述的其它元素时，也具有同样的机理，因而也具有类似的性质，除NiGaSnO之外的其它的p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜也能用上述类似的方法与步骤进行制备，所得的材料和器件具有类似的性能。

Claims (4)

1.一种p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：所述NiMSnO中的M元素与O形成的氧化物禁带宽度大于3eV，M为Be、Mg、Ca、Sr、Ba、B、Al、Ga、In、Sc、Y、Si、Ge、Hf、Zr、Mn、Fe、Nb、V、Sc、Rh或Co中的任一种；且所述NiMSnO中Ni为+2价、为p型NiMSnO非晶氧化物中的基体元素，与O结合形成NiMSnO的p型导电特性； M在基体中与O结合，作为空穴浓度的控制元素；Sn为+2价，与O结合也提供p型导电，且具有球形电子轨道，起到空穴传输通道的作用。

2.根据权利要求1所述的一种p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：M为Ga，此时NiMSnO即为NiGaSnO，其化学式为Ni_xGa_ySn_zO_x+1.5y+z，其中0.5≦x≦0.7，0.1≦y≦0.2，0.2≦z≦0.3，且x+y+z=1。

3.根据权利要求2所述的一种p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜，其特征在于：p型NiGaSnO非晶氧化物半导体薄膜的空穴浓度10¹²~10¹⁴cm^-3，可见光透过率≧80%。

4.如权利要求2或3所述的一种p型NiMSnO非晶氧化物半导体薄膜的制备方法，其特征在于：制备p型NiGaSnO非晶氧化物半导体薄膜的步骤包括：

1）以高纯NiO、Ga₂O₃和SnO粉末为原材料，混合，研磨，在1000~1100℃的Ar气氛下烧结，制成NiGaSnO陶瓷片为靶材，其中Ni、Ga、Sn三组分的原子比为0.5~0.7:0.1~0.2:0.2~0.3；

2）采用脉冲激光沉积方法，将衬底和靶材安装在PLD反应室中，抽真空至真空度低于1×10^-3Pa；

3）通入O₂为工作气体，气体压强5~7Pa，衬底温度为25~500℃，以脉冲激光轰击靶材，靶材表面原子和分子熔蒸后在衬底上沉积，形成一层薄膜，在不高于100Pa的O₂气氛中自然冷却到室温，得到p型NiGaSnO非晶薄膜。